EP2993531B1 - Verfahren zur umformung einer feder - Google Patents

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EP2993531B1
EP2993531B1 EP14183962.1A EP14183962A EP2993531B1 EP 2993531 B1 EP2993531 B1 EP 2993531B1 EP 14183962 A EP14183962 A EP 14183962A EP 2993531 B1 EP2993531 B1 EP 2993531B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
section
spring
temperature
range
bending section
Prior art date
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Active
Application number
EP14183962.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP2993531A1 (de
Inventor
Dominique LAUPER
Andreas Albert
Xavier Weyder
Stephan Christ
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Precision Engineering AG
Original Assignee
Precision Engineering AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Precision Engineering AG filed Critical Precision Engineering AG
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Publication of EP2993531A1 publication Critical patent/EP2993531A1/de
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Publication of EP2993531B1 publication Critical patent/EP2993531B1/de
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    • GPHYSICS
    • G04HOROLOGY
    • G04BMECHANICALLY-DRIVEN CLOCKS OR WATCHES; MECHANICAL PARTS OF CLOCKS OR WATCHES IN GENERAL; TIME PIECES USING THE POSITION OF THE SUN, MOON OR STARS
    • G04B17/00Mechanisms for stabilising frequency
    • G04B17/04Oscillators acting by spring tension
    • G04B17/06Oscillators with hairsprings, e.g. balance
    • G04B17/066Manufacture of the spiral spring
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21FWORKING OR PROCESSING OF METAL WIRE
    • B21F35/00Making springs from wire
    • B21F35/02Bending or deforming ends of coil springs to special shape

Definitions

  • the present invention relates to a method for reshaping a spring, in particular a spiral spring for a mechanical clockwork, according to the preamble of claim 1, a spring reshaped according to this method, and a clockwork comprising such a spring.
  • the first temperature T 1 is in the warm forming range of at least the material of the bending section.
  • the warm forming area adjoins the hot forming area on the cold side.
  • T 1 is therefore at least as high as the material-dependent restoration temperature.
  • a typical warm forming temperature T 1 for common spiral springs is 300 ° C to 500 ° C, for example.
  • T 1 is therefore above room temperature of 20 ° C. and below the recrystallization temperature T RK of the material of the bending section.
  • T 1 is preferably above 100 ° C., i.e.
  • T 1 is in a range from 30% of the recrystallization temperature T RK in ° C of the material of the bending section to this recrystallization temperature T RK in ° C., preferably in a range from 50% of this recrystallization temperature T RK in ° C up to 90% of this recrystallization temperature T RK in ° C.
  • the temperature T 1 is 50% to 70%, in particular about 60% to 65% of T RK in ° C.
  • the "recrystallization temperature T RK" is a material-dependent temperature, is approximately 900 ° C. to 1100 ° C. for common spirals and can be determined, for example, by measuring the temperature dependence of the relative electrical resistance or the heat capacity. For a rough determination of T RK, the following applies: T RK is 40% to 50% of the melting temperature of the material in ° C.
  • the warm forming of the bending section is carried out for the purpose of introducing a predetermined curve shape into the curve section while the bending section is kept at the temperature T 1 .
  • the temperature T 1 is preferably kept constant for 0.1 second to 100 seconds, preferably for 0.5 seconds to 30 seconds, in particular for 0.5 seconds to 5 seconds.
  • Warm forming has the effect that no or fewer internal stresses and / or no or fewer undesirable magnetic properties are introduced into the deformed section, i.e. the bending section, than would be introduced by cold forming and, in the prior art, are eliminated by subsequent tempering.
  • Typical heating can take place, for example, within 1 second to 10 seconds, in particular within 2 seconds.
  • the energy supply for example the current supply
  • Cooling after heating can also take place in a controlled manner, for example by reducing the energy supply in a controlled manner.
  • T 1 is in the range from 300 ° C. to 750 ° C., in particular in the range from 550 ° C to 700 ° C or in the range from 550 ° C to 650 ° C, and preferably at 600 ° C to 620 ° C.
  • the spring or the curve section or the bending section in step ii) is only for 0.1 second to 60 seconds, preferably only for 0.5 second to 10 seconds, preferably only for 0.5 seconds to 5 seconds and in particular only for 0.5 seconds to 3 seconds or during Maintained at the first temperature T 1 for 1 to 2 seconds and then cooled.
  • T 1 is preferably selected, depending on the material and spring dimensions, so high that the desired effects, in particular a reduction in magnetic effects introduced by the deformation or a restoration or relaxation of the Material occurs within the selected time interval.
  • the restoration time at T 1 is advantageously so short that a minimum or no scale formation or precipitation of intermetallic particles occurs. In addition, it can be avoided in this way that the material of the spring becomes too soft. In addition, short times are also advantageous insofar as an efficient forming process is possible.
  • the material of the bending section or the curved section is preferably a nickel-iron alloy and / or the first temperature T 1 is in the range from 300 ° C. to 750 ° C., preferably in the range from 450 ° C. to 700 ° C., preferably in the range of 550 ° C to 650 ° C, particularly preferably in the range from 600 ° C to 620 ° C, and in particular at 610 ° C.
  • the bending section or the curve section is therefore heated to the temperature T 1 before, during or after the movement step which brings the section from the starting position into the desired end position.
  • the movement step can be a deformation step in the sense of warm deformation or a deformation or deformation starting at temperatures below T 1 , after or during the latter the bending section is heated until it reaches T 1 and then, after the movement, is held there until the internal stresses built up in the bent material have dissipated and permanent reshaping has taken place.
  • the temperature is kept stable by a continued constant supply of energy.
  • the heating can also be continued after the warm forming in order to give the material even more time to relax. It is therefore possible for the temperature to be kept constant at T 1 for a period of 1 minute to 3 hours after the deformation.
  • the temperature of the bending portion after reaching T is not stabilized one, but one that after reaching T 1 as soon as the conversion makes, while the exposed areas eg.
  • the spiral belt by itself cool, but so that the The temperature during the deformation is still so high that a warm deformation takes place in the sense of the present invention, that is, a permanently deformed spring results.
  • the invention is based on the knowledge that a curve shape freed from undesirable internal stresses and / or magnetic effects instead of the previous two individual work steps (cold forming step and subsequent heat treatment step for relaxation of the material) by means of warm forming or heating of the bending section to T 1 during of the deforming step can be molded into a spring, in particular into a raw spiral.
  • the forming step comprises the warm forming or the deformation taking place at a temperature below T 1 as a movement step and the subsequent heat treatment at the temperature T 1 .
  • the method according to the invention largely prevents such internal stresses or undesired magnetic properties from building up.
  • the spring is a spiral spring.
  • spiral spring means a spiral spring wound from a spiral spring band, in particular a balance spiral spring.
  • the spiral spring can extend in one plane (e.g. flat spiral) or in several planes offset along the axis of the spiral (e.g. a Breguet spiral or a cylindrical spiral spring). It can be used, for example, as part of the oscillating system of a mechanical clockwork. It is also conceivable that this process can be used for reshaping other mechanical springs.
  • deformation means a production-related deformation of a workpiece, a plastic and permanent deformation of this section being produced by introducing a bending moment into the material section to be deformed in combination with heating.
  • hot forming means a forming of a section of the workpiece, the section to be formed being at a temperature above the recrystallization temperature of the material of this section during the forming process. Since the recrystallization is a thermally activated process, which can be described by an Arrhenius equation, the reduction of internal stresses takes place even below the critical temperature, the recrystallization temperature T RK .
  • the section to be deformed can now be heated to the first temperature T 1 before the deformation.
  • the bending section can be elastically deformed so that it assumes the desired final shape and then heated to the first temperature T 1.
  • Another possibility is that the movement into the final shape and the heating to T 1 are carried out in parallel, whereby the two processes do not necessarily have to take the same length of time.
  • Typical processing times for warm forming or deformation are 0.1 seconds to 100 seconds, in particular 0.5 seconds to 5 seconds.
  • Typical times of heating to T 1 are about 0.1 second to 100 seconds, in particular about 2 seconds to 5 seconds. This depends on the cross-section or the amount of material, the material composition and the corresponding energy input.
  • the forming according to the invention With the forming according to the invention, fewer magnetic and / or structural disturbances occur than with cold forming, since the material recovers (or resp.) Already during and also after the forming step, i.e. during cooling. restored). In addition, lower forces are required for the forming according to the invention than for the cold forming of the same material. Furthermore, with the method according to the invention, more precise deformation is possible than with hot deformation, since the material is less soft.
  • the curve section is preferably a section of the spiral spring, that is to say a part of the spiral band, preferably an outer end curve of the spiral spring.
  • the curve section is the section which is moved by the deformation with respect to the center of the spiral.
  • the bending section is the section of the curve section which is plastically deformed. The bending section can extend over the entire curve section or make up only part of the curve section. Several identical or different bending sections can also be arranged in the curve section.
  • the spring is a spiral spring and the curve section is an end curve of the spiral spring.
  • a flat end curve can be molded into a flat spiral spring.
  • a Breguet spiral can also be formed in that the bending section forms a transition of the spiral band from a plane of the spiral spring to an axially offset plane.
  • the curve section can therefore also have a vertical bend.
  • the cooling step can be carried out passively by letting it cool down to room temperature or actively by known methods of heat dissipation.
  • the spring is treated with a further heat treatment before step i).
  • fixing can be carried out at a fixing temperature which is higher than T 1 , preferably also higher than T RK and, depending on the material, for example in the range from 550 ° C to 700 ° C, in particular from 610 ° C to 640 ° C, or at 620 ° C.
  • This fixation is preferably but not necessarily carried out under vacuum or a protective atmosphere of, for example, argon and / or nitrogen at a pressure of less than 10 bar. In this way, any internal stresses that exist before the deformation of a curve section according to the invention are removed from the material structure.
  • the shaping according to the present invention can, but does not have to be, under vacuum or a protective atmosphere of, for example, argon and / or nitrogen at one pressure of less than 10 bar.
  • the bending section preferably the whole curve section or the whole spring
  • the curve section can be as long as or less than two turns, and preferably between a quarter turn and a half turn, preferably an outer, in particular outermost, turn of the spiral spring.
  • the curve section for the movement ie for the warm forming or the deformation taking place at a temperature below T 1 , it can have at least a first and a second gripping section. These gripping sections are then determined in each case. These gripping sections are preferably each introduced into a holding element, with at least one of the holding elements being moved during the warm deformation in order to effect the deformation of the bending section.
  • the gripping sections can be fixed in the holding elements by means of a form fit or clamping. In principle, a fixation along the spiral belt is not necessary, but can be achieved by clamping by means of the holding elements.
  • the fixing in the radial direction, that is away from the axis of the spiral can be achieved by a form fit, for example by inserting it into a slot or by clamping.
  • the holding elements preferably have a recess, in particular a slot or a through hole, for introducing the gripping sections.
  • Both a spatial position and a rotational position can preferably be regulated with respect to at least one, preferably all three spatial axes that are perpendicular to one another.
  • Holding elements which are designed as pins are particularly preferred. These pins can be suitable for heat conduction and / or for energization. These pins can be fixed on a device causing the movement and have a free end with the slot or the through hole. It is also conceivable that one holding element is provided by a pin and another holding element is provided by a tool.
  • the holding elements are preferably electrically conductive and in electrical contact with the preferably electrically conductive spring. So can about the holding elements the energization take place without additional contacts having to be attached. In addition, it is ensured that the current is passed through the corresponding energization section of the spring. In addition, the heating can preferably be generated directly by electrical or thermal conduction via these holding elements in the spiral belt.
  • the movement of the at least one holding element can be brought about by changing a rotational position of the holding element.
  • the movement can be characterized by a displacement of the holding element in and / or parallel to a plane of the spring and / or outside the plane of the spring.
  • two holding elements can be provided, with one or both holding elements being moved for deformation.
  • This movement can be a spatial displacement or rotation about any axis or a plurality of rotations about different axes.
  • the movement can also be a superposition of several such movements.
  • the provision of such holding elements is advantageous because the curve shape is shaped by one movement step; A bend does not have to be made with a tool at two points, as is done in the prior art, for example when forming a flat end curve, but at least one of the holding elements is simply moved so that the curve shape is introduced after this movement has been completed is.
  • Further movable or immovable holding elements can be provided in order to guide the movement of the blade which produces the deformation. It is possible to provide more than two holding elements, one, two, three or all of which are moved, or some are moved and the others are not moved. For example, two outer of three holding elements provided can be shifted and preferably additionally rotated, while the third holding element located between the two outer holding elements is not moved and stabilizes the movement of the spiral being formed.
  • Central holding elements are then preferably provided in an electrically insulating and heat-insulating manner, so that no voltage or temperature drop occurs due to the central holding elements.
  • the holding elements can receive the respective gripping section at a predefined rotational position with respect to an axis transverse to the longitudinal extension of the gripping section along the spring.
  • the gripping section can be picked up without additional bending of the spring.
  • the orientation of the essentially straight through hole or slot is at an angle to the longitudinal course of the gripping section and the spiral band has to be bent into the through hole or the slot.
  • the heating to the first temperature T 1 is preferably generated by energizing the bending section, in particular the curve section, with electrical current.
  • Alternative heating methods would be, for example, irradiation with electromagnetic radiation or contact heat transfer.
  • the current flow generates the corresponding heating due to the material resistance.
  • the current is supplied by means of direct or alternating current. Direct current is preferred.
  • the holding elements are designed to be electrically conductive, with an electrical voltage being applied across at least one, preferably at least two, of the holding elements.
  • a current intensity can be in the range from 0.001 amps to 10 amps, preferably in the range from 0.01 amps to 1 ampere, and a voltage, preferably a direct voltage, in the range from 0.1 volts to 25 volts, in particular in the range from 1 volt to 10 volts.
  • a material-dependent alternating voltage with the same effect can also be applied to the energizing section for supplying energy for the purpose of heating to T 1.
  • the spring can have an essentially rectangular cross section with a long side of 50 micrometers to 400 micrometers, in particular 150 micrometers, and a short side of 10 micrometers to 60 micrometers, especially between 20 micrometers and 45 micrometers, or 30 micrometers.
  • the spring can have any cross-section.
  • the deformation step of warm forming or the deformation taking place at a temperature below T 1 can also be carried out by means of a molding tool with two pressing jaws that can move relative to one another. These press jaws act complementary to one another. It is possible that only one or both jaws are moved.
  • the jaws can be convex-concave and / or provided with recesses and projections.
  • the invention provides a spring, in particular a spiral spring or a clockwork with a spiral spring.
  • the present invention therefore makes the shaping of a desired curve shape into a curve section of a spring more efficient, since subsequent temperature control is no longer necessary.
  • Figure 1 shows a section of a blade 10 consisting of a spiral band, which is bent to form a spiral spring 1. It is the undeformed one, i.e. the one in the starting position Blade 10a and the deformed blade 10, that is to say in the end position, can be seen. From now on, reference is only made to the blade 10; it is clear from the context whether this is the deformed or the undeformed one.
  • the blade 10 has a rectangular cross-sectional shape with a long side of approximately 150 micrometers and a short side of approximately 20 micrometers to 45 micrometers, in particular 30 micrometers.
  • Figure 1 shows a plan view of the short side of the blade 10.
  • the undeformed blade 10 follows a consistently convex curve and is clamped between two pins 21, 22, which act as holding elements.
  • These pins 21, 22 each have a slot 210, 220.
  • the pins 21, 22 with the slots 210, 220 are dimensioned such that the undeformed blade 10 can be inserted into these slots 210, 220.
  • the pins 21, 22 have a circular cross-section, a radius of this circle being 3 to 20 times the length of the short side of the blade 10.
  • a depth of the slot 210, 220 in the direction of an axis of the respective pin 21 or 22 is 0.5 to 10 times the length of the long side of the blade 10.
  • a slot width can be between 2 to 5 times the short side of the kline 10 be.
  • Other pin cross-sections (polygon, ellipse, ...) or slot dimensions can also be provided.
  • the slot 210, 220 should be dimensioned such that the blade 10 can be inserted into the slot 210, 220 and can be deformed according to the invention by moving at least one of the pins 21, 22.
  • the slots 210, 220 can easily clamp the blade 10.
  • a clamping spring or a clamping screw but preferably a clamping device with clamping pliers or some other clamping means can be provided (not shown).
  • Fig. 1 the alignment of the straight slots 210, 220, ie the rotational position of the pins 21, 22 with respect to the pin axis, is adapted tangentially to the curve profile of the undeformed blade 10 in the initial length.
  • the slots 210, 220 thus run perpendicular to the axis of the pins 21, 22.
  • a deformation is now introduced into the curve section 100 between the two pins 21, 22 by bending sections of the curve section, ie the bending sections 1000, to change a pitch of the spiral spring 1 in sections or to guide the spiral belt to another plane offset with respect to an axis of the spiral spring 1.
  • the blade 10 is first heated to a first temperature T 1.
  • the temperature T is increased at least in the bending area 1000 of the curve section 100 by introducing current into the electrically conductive spiral spring 1.
  • an electrical voltage is applied across curve section 100.
  • the pins 21, 22, which delimit and determine the curve section 100 are electrically conductive, the voltage then being applied directly to the blade 10 via the pins 21, 22, whereupon a current flows which is due to the electrical resistance of the conductors the blade 10 is heated.
  • Local heating can also be generated by other conventional methods such as flame application or contact heat.
  • the temperature T of the bending section 1000 is brought locally to the first temperature T 1 . It is particularly preferred if the blade 10 is heated in sections to such an extent that it begins to glow brown-red. The blade 10 is preferably not heated above 500 ° C. to 600 ° C. so that it does not become too soft.
  • the curve shape is made by moving at least one of the pins 21, 22 according to Fig. 1 by moving the second pin 22 along the movement line 6 in the direction of arrow 5.
  • the pin 22, depending on the desired shape is rotated and / or displaced, with which the blade 10 is transferred from the starting position to the desired end position.
  • the rotation is about 20 degrees counterclockwise.
  • this type of warm forming requires lower forming forces than cold forming. Since this is a warm forming process with a material temperature of T 1 , as described above. It is then no longer necessary at this point to eliminate internal material stresses or undesirable magnetic properties due to the deformation by subsequent heat treatment, since the method according to the invention shows no or fewer such undesirable effects than cold deformation in the formed material.
  • the energization can be carried out until immediately before the movement of the at least one pin 21, 22 or until this movement is completed or for longer. This can depend on the material and geometry of the spiral spring 1.
  • the holding elements prefferably installed before the spring is clamped are positioned in such a way that they hold the spring in the desired end position, the spring then being deformed when it is clamped. Then, as described above, it is heated to T 1.
  • the energized sections can thus, for example, have a length of 2 millimeters to 20 millimeters.
  • two pins 23, 24 are shown as holding elements, which each differ from the pins 21, 22 by the presence of a through opening 230, 240 instead of a slot 210, 220.
  • a controlled movement in the direction of the axis of the pin 23, 24 is also possible.
  • the gripping sections are better gripped.
  • Such a clamping with the pins 23, 24 therefore makes it possible to form a vertical bend out of the plane of the spiral spring 1 into a curve section 100.
  • the warm forming is achieved by moving the movable pin 24 in the direction of the arrow 5 out of the plane of the spiral spring 1.
  • a rotary movement can also be carried out (not shown).
  • the deformation and the recrystallization are preferably carried out in one operation via the pins 23, 24, which are designed to be correspondingly electrically conductive.
  • the warm forging after Figure 2 can be used, for example, in the manufacture of Breguet spirals.
  • Figure 3 shows that the curve section 100, which is delimited by the section of the blade 10 between the two pins 21, 22, can not only be deformed as a segment of a circle, but that the corresponding rotary position of the slot 210, 220 of the pins 21, 22 has a different curve shape can be introduced into the spiral spring 1.
  • a large number of curve shapes can be introduced into the spirals, the position of the pin 21, 22 in space and / or the axial rotational position of the pin 21, 22 being regulated.
  • Figure 4 shows an embodiment of the method, wherein only one pin 21 remains at rest and the two pins 22, 25 of which are moved.
  • the pins 22, 25 are moved in the plane along the displacement paths 61, 62, 63, the rotational positions of the pins 22, 25 are controlled in such a way that a desired curve shape results from the warm forming.
  • a warm forming process that is to say that the blade 10 is at a temperature T 1 as described above during the forming process.
  • Figure 5 shows an alternative embodiment which does not require the use of pins 21-25.
  • the pins 21-25 can, however, also be used here in order to better guide the warm forging.
  • the blade 10 is heated to the first temperature T 1 , a molding tool 3 with a first press jaw 31 and a second press jaw 32 then being used.
  • the pressing jaws 31, 32 have complementary shaped, mutually associated first and second pressing surfaces 310 and 320, which according to Fig. 5 are round.
  • the warm forming is effected by pressing the warm bending section 1000 of the blade 10.
  • the jaws 31, 32 can be correspondingly hot, or a current is again passed through the curve section 100. Pins or other contact elements can again be used to introduce current.
  • Figure 6 shows a further embodiment of the method according to the invention, the heated blade 10 also being introduced between two pressing jaws 33, 34 of a further molding tool 3.
  • these jaws 33, 34 have differently shaped third and fourth pressing surfaces 330 and 340, respectively.
  • the third pressing surface 330 has a recess 331;
  • the fourth pressing surface 340 has a pressing projection 341 which is designed to engage in the recess 331.
  • Short here means a length of up to half a turn or 0.5 to 5 times, in particular approximately 2 times the short side of the cross section of the blade 10.
  • different adjoining sections of the blade 10 can be made into one by different shapes A certain configuration can be brought so that desired effects regarding the rigidity of the blade 10 can be achieved.
  • Figure 7 shows a further structure which can be introduced into a warm curve section 100 of the spiral 1 through the pressing surfaces 350, 351.
  • the spiral spring 1 can therefore in particular be produced by transforming the spiral band 10 into a spiral spring 1 and fixing it in a vacuum at 600 ° C. to 630 ° C. for about two hours. Thereafter, a warm forming of the raw spiral spring 1 is carried out, with at least the bending section 100 being heated to the first temperature T 1 , preferably at approximately 500 ° C., during the warm forming.
  • the spiral spring 1 can be elastically deformed so that it assumes a desired end position, whereupon the spiral spring 1, ie at least its bending section 1000, is heated to T 1 and the reshaping takes place. It is also conceivable that the movement of the spring from an initial position into the end position is carried out parallel to the heating to T 1 .

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Description

    TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umformung einer Feder, insbesondere einer Spiralfeder für ein mechanisches Uhrwerk, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, eine nach diesem Verfahren umgeformte Feder und ein Uhrwerk umfassend eine solche Feder.
  • STAND DER TECHNIK
  • Es ist bekannt, spiralförmige Biegefedern für mechanische Uhrwerke durch Umformverfahren abschnittsweise mit einer bestimmten Kurvenform zu versehen. Die EP 0 911 707 lehrt, dass eine durch Wärmebehandlung fixierte Rohspirale mit einer durch eine Kaltdeformation der Aussenwindung der Spirale eingebrachten Endkurve versehen werden kann. Hierzu werden mit einem Werkzeug Knicke in den Verlauf der zu verformenden Aussenwindung der Spirale eingebogen, sodass sich der Windungsabstand zwischen den äussersten Gängen im Bereich der Endkurve vergrössert. Der derart kaltverformte Abschnitt wird dann durch eine thermische Nachbehandlung von inneren Spannungen befreit. Dieses Verfahren ist zeitaufwändig
  • Ähnliche Verfahren zur Umformung von Spiralfedern sind in den Dokumenten CH 706 233 A2 und US 5 907 524 A offenbart.
  • DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Umformung einer mechanischen Feder, insbesondere einer Spiralfeder für ein Uhrwerk, vorzugsweise zum Herstellen einer Endkurve, anzugeben.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
  • Hierbei liegt die erste Temperatur T 1 im Halbwarmumformungsbereich zumindest des Materials des Biegeabschnitts. Der Halbwarmumformungsbereich schliesst sich kaltseitig an den Warmumformungsbereich an. T 1 ist also mindestens so hoch wie die materialabhängige Restaurationstemperatur. Eine typische Halbwarmumformungstemperatur T 1 für gebräuchliche Spiralfedern ist bspw. 300°C bis 500°C. T 1 liegt also über der Raumtemperatur von 20°C und unterhalb der Rekristallisationstemperatur T RK des Materials des Biegeabschnitts. T 1 liegt vorzugsweise bei über 100°C, das Material ist also angewärmt, und/oder T 1 liegt in einem Bereich von 30% der Rekristallisationstemperatur T RK in °C des Materials des Biegeabschnitts bis zu dieser Rekristallisationstemperatur T RK in °C, vorzugsweise in einem Bereich von 50% dieser Rekristallisationstemperatur T RK in °C bis zu 90% dieser Rekristallisationstemperatur T RK in °C. Nachfolgend ein erläuterndes Berechnungsbeispiel: 50% von (T RK=1000°C) ist: 500°C.
  • Besonders bevorzugt ist, wenn die Temperatur T 1 bei 50% bis 70%, insbesondere bei etwa 60% bis 65% von T RK in °C liegt.
  • Die "Rekristallisationstemperatur T RK" ist eine materialabhängige Temperatur, beträgt für gebräuchliche Spiralen etwa 900°C bis 1100°C und kann bspw. durch Messung der Temperaturabhängigkeit des relativen elektrischen Widerstands oder der Wärmekapazität bestimmt werden. Zur groben Bestimmung von T RK gilt: T RK ist 40% bis 50% der Schmelztemperatur des Materials in °C.
  • Vorzugsweise wird die Halbwarmumformung des Biegeabschnitts zwecks Einbringens einer vorbestimmten Kurvenform in den Kurvenabschnitt durchgeführt, während der Biegeabschnitt auf der Temperatur T 1 gehalten ist. Vorzugsweise wird die Temperatur T 1 während 0.1 Sekunde bis 100 Sekunden, vorzugsweise während 0.5 Sekunden bis 30 Sekunden, insbesondere während 0.5 Sekunden bis 5 Sekunden konstant gehalten.
  • Es ist auch denkbar, dass nach dem Erreichen einer bestimmten Temperatur T 1 die Energiezufuhr in den Biegeabschnitt erhöht, verringert oder unterbrochen wird.
  • Die Halbwarmumformung bewirkt, dass keine oder weniger innere Spannungen und/oder keiner oder weniger unerwünschte magnetische Eigenschaften in den verformten Abschnitt, d.h. den Biegeabschnitt, eingebracht werden, als durch die Kaltumformung eingebracht werden würden und im Stand der Technik durch nachgelagertes Temperieren beseitigt werden.
  • Eine typische Erwärmung kann bspw. innerhalb von 1 Sekunde bis 10 Sekunden, insbesondere innerhalb von 2 Sekunden geschehen. Je nach Material kann die Energiezufuhr, bspw. die Bestromung, entsprechend angepasst sein. Auch eine Abkühlung nach der Erwärmung kann kontrolliert geschehen, bspw. indem die Energiezufuhr kontrolliert verkleinert wird.
  • Bei einem typischen Material, welches für gebräuchliche Spiralfedern verwendet wird, bspw. PE 4000 mit folgender Massenprozentverteilung: 38%-40% Nickel, 7%-8.5% Chrom, <1% Beryllium, <1% Titan, <1% Mangan, < 1% Silizium, wobei ein Massenprozentanteil der Teile von Beryllium, Titan, Mangan und Silizium zusammen zwischen 0% und 2% liegt, und der Rest aus Eisen besteht, ist T 1 im Bereich von 300°C bis 750°C, insbesondere im Bereich von 550°C bis 700°C oder im Bereich von 550°C bis 650°C, und vorzugsweise bei 600°C bis 620°C.
  • Vorzugsweise wird die Feder oder der Kurvenabschnitt oder der Biegeabschnitt in Schritt ii) nur während 0.1 Sekunde bis 60 Sekunden, vorzugsweise nur während 0.5 Sekunde bis 10 Sekunden, vorzugsweise nur während 0.5 Sekunden bis 5 Sekunden und insbesondere nur während 0.5 Sekunden bis 3 Sekunden oder während 1 bis 2 Sekunden auf der ersten Temperatur T 1 gehalten und dann abgekühlt.
  • T 1 ist vorzugsweise, je nach Material und Federdimensionen, so hoch gewählt, dass die erwünschten Effekte, insbesondere eine Verminderung von durch die Umformung eingebrachten magnetischen Effekten bzw. eine Restaurierung oder Entspannung des Materials, innerhalb des gewählten Zeitintervalls auftritt. Die Restaurationszeit bei T 1 ist vorteilhafterweise so kurz, dass ein Minimum an oder keine Zunderbildung bzw. Präzipitation von intermetallischen Partikeln auftritt. Überdies kann so vermieden werden, dass das Material der Feder zu weich wird. Zudem sind kurze Zeiten auch vorteilhaft, insofern als ein effizientes Umformverfahren möglich ist.
  • Es können hier auch paramagnetische Legierungen wie bspw. Nb-Ti-Legierungen verwendet werden. Vorzugsweise ist das Material des Biegeabschnitts oder des Kurvenabschnitts eine Nickel-Eisen-Legierung und/oder die erste Temperatur T 1 im Bereich von 300°C bis 750°C, vorzugsweise im Bereich von 450°C bis 700°C, bevorzugt im Bereich von 550°C bis 650°C, besonders bevorzugt im Bereich von 600°C bis 620°C, und insbesondere bei 610°C. Der Biegeabschnitt bzw. der Kurvenabschnitt wird also vor, während oder nach dem Bewegungsschritt, welcher den Abschnitt aus der Ausgangslage in die gewünschte Endlage bringt, auf die Temperatur T 1 erwärmt.
  • Der Bewegungsschritt kann ein Umformschritt im Sinne einer Halbwarmumformung sein oder aber eine bei Temperaturen unter T 1 einsetzende Verformung oder Deformation sein, wobei nach oder während letzterem der Biegeabschnitt erwärmt wird, bis er T 1 erreicht, und dann, nach der Bewegung, dort gehalten wird, bis sich die aufgebauten inneren Spannungen im gebogenen Material abgebaut haben und eine dauerhafte Umformung vollzogen ist.
  • Zwischen der Erwärmung bzw. der Halbwarmformung kann vorgesehen sein, dass die Temperatur durch fortgesetzte konstante Energiezufuhr stabil gehalten wird. Die Erwärmung kann auch nach der Halbwarmumformung fortgesetzt werden, um dem Material noch mehr Zeit zur Relaxation zu geben. Es ist also möglich, dass während einer Periode von 1 Minute bis 3 Stunden nach der Umformung die Temperatur konstant auf T 1 gehalten wird.
  • Es ist auch denkbar, dass die Temperatur des Biegeabschnitts nach dem Erreichen von T 1 nicht stabilisiert wird, sondern dass man nach Erreichen von T 1 rasch die Umformung vornimmt, während die erwärmten Bereiche bspw. des Spiralbandes von selbst auskühlen, jedoch so, dass die Temperatur bei der Umformung noch derart hoch ist, dass eine Halbwarmumformung im Sinne der vorliegenden Erfindung stattfindet, also eine bleibend verformte Feder resultiert. Es ist hierbei auch möglich, die Erwärmung derart stark über eine minimale Umformungstemperatur zur Halbwarmumformung im Sinne der vorliegenden Erfindung vorzusehen, dass eine solche Abkühlung während der Vorbereitung zur Umformung gezielt ins den Prozess miteinbezogen ist und man so sicherstellt, dass das Material bei der Umformung derart warm ist, dass eine Halbwarmumformung im Sinne der vorliegenden Erfindung stattfindet.
  • Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass eine von unerwünschten inneren Spannungen und/oder von magnetischen Effekten befreite Kurvenform statt bisher über zwei einzelne Arbeitsschritte (Kaltumformschritt und nachgeschalteter Wärmebehandlungsschritt zur Relaxation des Materials) mittels einer Halbwarmumformung oder einer Erwärmung des Biegeabschnitts auf T 1 während des Umformschritts in eine Feder, insbesondere in eine Rohspirale, einformbar ist. Der Umformschritt umfasst die Halbwarmumformung oder die bei einer Temperatur unterhalb von T 1 stattfindende Deformation als Bewegungsschritt und die nachträgliche Wärmebehandlung bei der Temperatur T 1.
  • Durch das erfindungsgemässe Verfahren wird der Aufbau von solchen inneren Spannungen bzw. unerwünschten Magnetischen Eigenschaften weitgehend verhindert.
  • Vorzugsweise ist die Feder eine Spiralfeder. Unter dem Begriff "Spiralfeder" ist eine aus einem Spiralfederband gewundene Biegefeder, insbesondere eine Unruhspiralfeder, gemeint. Die Spiralfeder kann sich in einer Ebene (z.B. Flachspirale) oder in mehreren, entlang der Achse der Spirale versetzten Ebenen (z.B. eine Breguet-Spirale oder eine zylindrische Spiralfeder) erstrecken. Sie ist bspw. als Teil des Schwingsystems eines mechanischen Uhrwerks verwendbar. Es ist auch denkbar, dass man dieses Verfahren für die Umformung von anderen mechanischen Federn einsetzt.
  • Die Spiralfedern können bezüglich ihrer Grösse in "CGS"-Klassen eingeteilt werden. Die CGS-Nummer einer Spirale kann wie folgt berechnet werden: CGS = C D 2 d 2 in : dyn cm 3 ,
    Figure imgb0001
    wobei
  • D:
    äusserer Durchmesser der Spiralfeder [in: mm],
    d:
    innerer Durchmesser der Spiralfeder [in: mm]; und
    C:
    C = (E · h · e3)/(12 · 1) [in: dyn · cm] mit
    • E: Elastizitätsmodul der Spiralfeder [in: N/mm2];
    • h: Höhe des Spiralfederbands [in: mm];
    • e: Dicke des Spiralfederbands [in: mm]; und
    • l: Länge des Spiralbandes [in: mm].
    Die vorliegende Erfindung betrifft vorzugsweise Spiralfedern mit einer CGS-Nummer im Bereich von 0.05 bis 35, insbesondere im Bereich von 0.25 bis 15.
  • Unter dem Begriff "Umformung" ist eine fertigungstechnische Verformung eines Werkstücks gemeint, wobei durch Einbringen eines Biegemoments in den umzuformenden Materialabschnitt in Kombination mit einer Erwärmung eine plastische und dauerhafte Verformung dieses Abschnitts erzeugt wird.
  • Durch "Kaltumformung" bei Temperaturen im Bereich der Raumtemperatur, also um 20°C, werden Störungen in das Kristallgitter eingebracht, woraus unerwünschte innere Spannungen im Material resultieren. Diese Spannungen können durch eine nachträgliche Wärmebehandlung des gestörten Materialgefüges geheilt werden. Diese Erwärmung erzeugt einen Relaxation und Restaurierung der inneren Struktur (Relaxationsglühen).
  • Unter dem Begriff "Warmumformung" ist eine Umformung eines Abschnitts der des Werkstücks gemeint, wobei der umzuformende Abschnitt während des Umformungsprozesses bei einer Temperatur oberhalb der Rekristallisationstemperatur des Materials dieses Abschnitts liegt. Da die Rekristallisation ein thermisch aktivierter Prozess ist, welcher durch eine Arrhenius-Gleichung beschreibbar ist, findet der Abbau von inneren Spannungen auch schon unterhalb der kritischen Temperatur, der Rekristallisationstemperatur T RK, statt.
  • Gemäss dem erfindungsgemässen Verfahren kann nun der umzuformende Abschnitt vor der Verformung auf die erste Temperatur T 1 erwärmt werden. Alternativ kann der Biegeabschnitt elastisch deformiert werden, sodass er die gewünschte Endform einnimmt und danach auf die erste Temperatur T 1 erwärmt werden. Eine weitere Möglichkeit ist, dass die Bewegung in die Endform und die Erwärmung auf T 1 parallel durchgeführt werden, wobei die beiden Prozesse nicht zwingend gleich lange dauern müssen.
  • Typischen Verarbeitungszeiten der Halbwarmumformung bzw. der Deformation betragen 0.1 Sekunden bis 100 Sekunden, insbesondere 0.5 Sekunden bis 5 Sekunden. Typische Zeiten der Erwärmung auf T 1 betragen etwa 0.1 Sekunde bis 100 Sekunden, insbesondere etwa 2 Sekunden bis 5 Sekunden. Dies hängt vom Querschnitt bzw. der Materialmenge, der Materialzusammensetzung und der entsprechenden Energiezufuhr ab.
  • Bei der erfindungsgemässen Umformung treten weniger magnetische und/oder strukturelle Störungen als bei der Kaltumformung auf, da sich das Material bereits während und auch nach dem Umformschritt, also während des Auskühlens, erholt (bzw. restauriert). Überdies sind geringere Kräfte für die erfindungsgemässe Umformung aufzuwenden als für der Kaltumformung des gleichen Materials. Weiter ist mit dem erfindungsgemässen Verfahren eine genauere Umformung als bei der Warmverformung möglich, da das Material weniger weich ist.
  • Der Kurvenabschnitt ist vorzugsweise ein Abschnitt der Spiralfeder, also ein Teil des Spiralbandes, vorzugsweise eine äussere Endkurve der Spiralfeder. Der Kurvenabschnitt ist der Abschnitt, welcher durch die Umformung bezüglich des Spiralenmittelpunkts bewegt wird. Der Biegeabschnitt ist der Abschnitt des Kurvenabschnitts, welcher plastisch umgeformt wird. Der Biegeabschnitt kann sich über den gesamten Kurvenabschnitt erstrecken oder nur einen Teil des Kurvenabschnitts ausmachen. Es können auch mehrere gleiche oder unterschiedliche Biegeabschnitte im Kurvenabschnitt angeordnet sein.
  • Bevorzugt ist, wenn die Feder eine Spiralfeder ist und der Kurvenabschnitt eine Endkurve der Spiralfeder ist. So kann bspw. eine flache Endkurve in eine Flachspiralfeder eingeformt werden. Es kann auch eine Breguet-Spirale geformt werden, indem der Biegeabschnitt eine Überleitung des Spiralbandes von einer Ebene der Spiralfeder zu einer axial versetzten Ebene ausbildet. Der Kurvenabschnitt kann also auch einen Höhenknick auf weisen.
  • Der Schritt des Abkühlens kann passiv durch auskühlen lassen auf Raumtemperatur oder aber aktiv durch bekannte Verfahren zur Wärmeableitung vorgenommen werden.
  • In einer Weiterbildung des Verfahrens wird die Feder vor Schritt i) mit einer weiteren Wärmebehandlung behandelt.
  • Im Falle einer Fe-Ni-Legierung kann bspw. während etwa 60 Minuten bis 180 Minuten, insbesondere während 120 Minuten, bei einer Fixierungstemperatur fixiert, welche höher als T1 , vorzugsweise auch höher als T RK ist und je nach Material bspw. im Bereich von 550°C bis 700°C, insbesondere von 610°C bis 640°C, oder bei 620°C liegt. Diese Fixierung wird vorzugsweise aber nicht notwendigerweise unter Vakuum oder Schutzatmosphäre aus bspw. Argon und/oder Stickstoff bei einem Druck von weniger als 10 bar durchgeführt. Damit werden allfällige innere Spannungen, welche vor der erfindungsgemässen Umformung eines Kurvenabschnitts bestehen, aus dem Materialgefüge entfernt.
  • Die Umformung nach der vorliegenden Erfindung kann, muss aber nicht unter Vakuum oder Schutzatmosphäre aus bspw. Argon und/oder Stickstoff bei einem Druck von weniger als 10 bar vorgenommen werden.
  • Der Biegeabschnitt, vorzugsweise der ganze Kurvenabschnitt bzw. die ganze Feder, kann nach Schritt iii) einer weiteren Wärmebehandlung unterzogen werden, bei welcher der Biegeabschnitt, vorzugsweise der ganze Kurvenabschnitt oder die ganze Feder, während1 bis 24 Stunden auf vorzugsweise 200°C bis 400°C, insbesondere auf 300°C, gehalten wird.
  • Der Kurvenabschnitt kann gleich lang wie oder weniger lang als zwei Windungen, und vorzugsweise zwischen einer Viertel- und einer halben Windung, vorzugsweise einer äusseren, insbesondere äussersten, Windung der Spiralfeder sein.
  • Um den Kurvenabschnitt für die Bewegung, d.h. für die Halbwarmumformung oder die bei einer Temperatur unterhalb von T 1 stattfindende Deformation, zu fixieren, kann dieser mindestens einen ersten und zweiten Greifabschnitt aufweisen. Diese Greifabschnitte werden dann jeweils festgestellt. Vorzugsweise werden diese Greifabschnitte jeweils in ein Halteelement eingebracht, wobei bei der Halbwarmverformung mindestens eines der Halteelemente bewegt wird, um die Umformung des Biegeabschnitts zu bewirken. Die Feststellung der Greifabschnitte in den Halteelementen kann durch Formschluss oder Klemmung stattfinden. Prinzipiell ist eine Feststellung entlang des Spiralbandes nicht notwendig, kann jedoch durch Klemmung mittels der Halteelemente realisiert werden. Die Feststellung in radialer Richtung, also von der Achse der Spirale weg, kann durch einen Formschluss, bspw. durch Einlegen in einen Schlitz oder auch durch Klemmung, bewerkstelligt werden.
  • Die Halteelemente weisen vorzugsweise eine Ausnehmung, insbesondere einen Schlitz oder ein Durchgangsloch, zum Einbringen der Greifabschnitte auf. Vorzugsweise ist sowohl eine räumliche Lage als auch eine Drehposition bezüglich mindestens einer, vorzugsweise aller drei jeweils senkrecht zueinander stehenden Raumachsen regelbar.
  • Besonders bevorzugt werden Haltelemente, welche als Stifte ausgebildet sind. Diese Stifte können durch Wärmeleitung und/oder zur Bestromung geeignet sein. Diese Stifte können auf einer die Bewegung verursachenden Vorrichtung festgestellt sein und ein freies Ende mit dem Schlitz oder dem Durchgangsloch aufweisen. Es ist auch denkbar, dass ein Halteelement durch einen Stift und ein anderes Halteelement durch ein Werkzeug bereitgestellt ist.
  • Vorzugsweise sind die Halteelemente elektrische leitend und in elektrischem Kontakt mit der vorzugsweise elektrisch leitenden Feder. So kann über die Halteelemente die Bestromung stattfinden, ohne dass zusätzliche Kontakte angebracht werden müssen. Zudem ist sichergestellt, dass der Strom durch den entsprechenden Bestromungsabschnitt der Feder geführt ist. Überdies kann die Erwärmung vorzugsweise direkt durch elektrische oder auch thermische Leitung über diese Halteelemente im Spiralband erzeugt werden.
  • Die Bewegung des mindestens einen Halteelements kann durch eine Änderung einer Drehposition des Halteelements bewirkt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Bewegung durch eine Verschiebung des Halteelements in und/oder parallel zu einer Ebene der Feder und/oder nach ausserhalb der Ebene der Feder gekennzeichnet sein.
  • Je nach gewünschter Kurvenform können also zwei Halteelemente vorgesehen sein, wobei eines oder beide Haltelemente zur Verformung bewegt werden. Diese Bewegung kann eine räumliche Verschiebung oder Drehung um eine beliebige Achse oder eine Mehrzahl von Drehungen um verschiedene Achsen sein. Die Bewegung kann auch eine Überlagerung von mehreren solchen Bewegungen sein. Das Vorsehen von solchen Halteelementen ist vorteilhaft, weil so durch einen Bewegungsschritt die Kurvenform geformt wird; es muss nicht an zwei Stellen zeitlich verschoben ein Knick mit einem Werkzeug vorgenommen werden, wie es im Stand der Technik bspw. beim Einformen einer flachen Endkurve geschieht, sondern es wird einfach mindestens eines der Halteelemente so bewegt, dass die Kurvenform nach Abschluss dieser Bewegung eingebracht ist.
  • Es können weitere bewegliche oder unbewegliche Halteelemente vorgesehen sein, um die die Umformung erzeugende Bewegung der Klinge zu führen. Es ist möglich, mehr als zwei Halteelemente vorzusehen, wobei eines, zwei, drei oder alle bewegt, oder einige bewegt und die anderen nicht bewegt werden. So können bspw. zwei äussere von drei vorgesehenen Halteelemente verschoben und vorzugsweise zusätzlich verdreht werden, während das dritte, sich zwischen den beiden äusseren Halteelementen befindliche Halteelement nicht bewegt wird und die Bewegung der sich in der Umformung befindlichen Spirale stabilisieren.
  • Vorzugsweise sind dann mittlere Halteelemente elektrisch isolierend und wärmeisolierend bereitgestellt, sodass kein Spannungs- oder Temperaturabfall aufgrund der mittleren Halteelemente auftritt.
  • Überdies ist denkbar, dass die Halteelemente nicht bewegt werden, sondern dass die Deformation durch das Einspannen der Feder in den vorpositionierten Halteelementen zustande kommt.
  • Die Halteelemente können den jeweiligen Greifabschnitt unter einer vordefinierten Drehposition bezüglich einer Achse quer zur Längserstreckung des Greifabschnitts entlang der Feder aufnehmen. Bspw. kann der Greifabschnitt ohne zusätzliche Biegung der Feder aufgenommen werden. Es ist auch denkbar, dass die Ausrichtung des im Wesentlichen geraden Durchgangslochs oder Schlitzes winklig zum Längsverlauf des Greifabschnitts steht und das Spiralband in das Durchgangsloch oder den Schlitz gebogen werden muss.
  • Vorzugsweise wird die Erwärmung auf die erste Temperatur T 1 durch elektrische Bestromung des Biegeabschnitts, insbesondere des Kurvenabschnitts, erzeugt. Alternative Erwärmungsverfahren wären bspw. Bestrahlung mit elektromagnetischer Strahlung oder ein Kontaktwärmeübertrag. Der Stromfluss erzeugt aufgrund des Materialwiderstands die entsprechende Erwärmung. Die Bestromung mittels von Gleich- oder Wechselstrom geschehen. Gleichstrom wird bevorzugt. Hierzu sind die Halteelemente elektrisch leitend ausgebildet, wobei eine elektrische Spannung über zumindest eines, vorzugsweise zumindest zwei der Halteelemente angelegt wird. Eine Stromstärke kann im Bereich von 0.001 Ampere und 10 Ampere, vorzugsweise im Bereich von 0.01 Ampere bis 1 Ampere und eine Spannung, vorzugsweise eine Gleichspannung, im Bereich von 0.1 Volt bis 25 Volt, insbesondere im Bereich von 1 Volt bis 10 Volt liegen.
  • Es kann auch eine gleichwirkende, materialabhängige Wechselspannung zur Energiezufuhr zwecks Erwärmung auf T 1 an den Bestromungsabschnitt angelegt werden.
  • Die Feder kann einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt mit einer Langseite von 50 Mikrometer bis 400 Mikrometer, insbesondere von 150 Mikrometer, und eine Kurzseite von 10 Mikrometer bis 60 Mikrometer, insbesondere zwischen 20 Mikrometer und 45 Mikrometer, oder 30 Mikrometer aufweisen. Grundsätzlich kann die Feder einen beliebigen Querschnitt aufweisen.
  • Anstatt mit Halteelementen wie oben beschrieben zu arbeiten, kann der Verformungsschritt der Halbwarmumformung oder der bei einer Temperatur unterhalb von T 1 stattfindenden Deformation auch mittels eines Formwerkzeugs mit zwei relativ zueinander beweglichen Pressbacken durchgeführt werden. Diese Pressbacken wirken komplementär zueinander. Es kann sein, dass nur eine oder beide Backen bewegt werden. Die Backen können konvex-konkave und/oder mit Ausnehmungen und Vorsprüngen versehen sein.
  • Zudem wird durch die Erfindung eine Feder, insbesondere eine Spiralfeder bzw. ein Uhrwerk mit einer Spiralfeder bereitgestellt.
  • Die vorliegende Erfindung macht die Einformung einer gewünschten Kurvenform in einen Kurvenabschnitt einer Feder also effizienter, da kein nachgeschaltetes Temperieren mehr notwendig ist.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand die Zeichnungen beschrieben, die lediglich zur Erläuterung dienen und nicht einschränkend auszulegen sind. In den Zeichnungen zeigen:
  • Fig. 1
    einen Kurvenabschnitt einer Spirale, welcher in zwei Stifte eingespannt ist und in einer Ausgangslage und einer durch erfindungsgemässe Umformung erreichten Endlage dargestellt ist;
    Fig. 2
    eine alternative Ausgestaltung der Stifte zur Ausführung der erfindungsgemässen Umformung;
    Fig. 3
    die Situation nach Fig. 1, wobei die Stifte anders bewegt werden, sodass der Kurvenabschnitt eine andere Endlage einnimmt.;
    Fig. 4
    die Situation nach Fig. 1, wobei ein weiterer Stift zum Einnehmen einer komplexeren Endlage des Kurvenabschnitts vorgesehen ist;
    Fig. 5
    eine alternative Umformung mit einem Formwerkzeug mit zwei Pressbacken;
    Fig. 6
    die alternative Umformung nach Fig. 5 mit einem anderen Formwerkzeug; und
    Fig. 7
    die alternative Umformung nach Fig. 5 mit einem abermals anderen Formwerkzeug.
    BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Figur 1 zeigt einen Ausschnitt einer aus einem Spiralband bestehenden Klinge 10, welche zu einer Spiralfeder 1 gebogen ist. Es sind die unverformte, also in Ausgangslage liegende Klinge 10a und die verformte, also in Endlage liegende Klinge 10 zu sehen. Fortan wird lediglich auf die Klinge 10 verwiesen, aus dem Kontext ist klar, ob diese die verformte oder die unverformte ist. Die Klinge 10 weist eine rechteckige Querschnittsform mit einer Langseite von etwa 150 Mikrometer und einer Kurzseite von etwa 20 Mikrometer bis 45 Mikrometer, insbesondere 30 Mikrometer auf. Figur 1 zeigt eine Draufsicht auf die Kurzseite der Klinge 10.
  • In der Ausgangslage folgt die unverformte Klinge 10 einer durchwegs konvex gebogenen Kurve und ist zwischen zwei Stiften 21, 22, welche als Halteelemente wirken, eingespannt. Diese Stifte 21, 22 weisen jeweils einen Schlitz 210, 220 auf. Die Stifte 21, 22 mit den Schlitzen 210, 220 sind derart dimensioniert, dass die unverformte Klinge 10 in diese Schlitze 210, 220 eingelegt werden kann. Die Stifte 21, 22 weisen eine kreisförmigen Querschnitt auf, wobei ein Radius dieses Kreises das 3- bis 20-Fache der Länge der Kurzseite der Klinge 10 beträgt. Eine Tiefe des Schlitzes 210, 220 in Richtung einer Achse des jeweiligen Stiftes 21 bzw. 22 beträgt das 0.5- bis 10-Fache der Länge der Langseite der Klinge 10. Eine Schlitzbreite kann zwischen dem 2- bis 5-Fachen der Kurzseite der Kline 10 betragen. Es können auch andere Stiftquerschnitte (Vieleck, Ellipse, ...) oder Schlitzdimensionen vorgesehen sein.
  • Funktionell soll der Schlitz 210, 220 derart dimensioniert sein, dass die Klinge 10 in den Schlitz 210, 220 einlegbar und durch Bewegung mindestens eines der Stifte 21, 22 erfindungsgemäss umformbar ist.
  • In einer Weiterbildung können die Schlitze 210, 220 die Klinge 10 leicht klemmen. Hierzu kann auch eine Klemmfeder oder eine Klemmschraube, vorzugsweise jedoch eine Klemmvorrichtung mit einer Klemmzange oder ein anderes Klemmmittel vorgesehen sein (nicht dargestellt).
  • Nach Fig. 1 ist die Ausrichtung der geraden Schlitze 210, 220, d.h. die Drehposition der Stifte 21, 22 bezüglich der Stiftachse, tangential an den Kurvenverlauf der unverformten Klinge 10 in Ausgangslange angepasst. Die Schlitze 210, 220 verlaufen also senkrecht zur Achse der Stifte 21, 22. Gemäss dem erfindungsgemässem Verfahren wird nun ein Verformung in den Kurvenabschnitt 100 zwischen den beiden Stiften 21, 22 eingebracht, indem man Abschnitte des Kurvenabschnitts, d.h. die Biegeabschnitte 1000, verbiegt, um einen Gangabstand der Spiralfeder 1 abschnittsweise zu verändern oder um das Spiralband auf eine andere, bezüglich einer Achse der Spiralfeder 1 versetzte Ebene zu führen.
  • Hierzu wird die Klinge 10 zuerst auf eine erste Temperatur T 1 erwärmt. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Temperatur T zumindest im Biegebereich 1000 des Kurvenabschnitts 100 durch Stromeinleitung in die elektrisch leitende Spiralfeder 1 erhöht. Hierzu wird über dem Kurvenabschnitt 100 eine elektrische Spannung angelegt. Vorzugsweise sind die Stifte 21, 22, welche den Kurvenabschnitt 100 begrenzen und feststellen, elektrisch leitend, wobei die Spannung dann direkt über die Stifte 21, 22 an die Klinge 10 angelegt wird, worauf ein Strom fliesst, welcher auf Grund des elektrischen Widerstands der Leiters die Klinge 10 erwärmt.
  • Die lokale Erwärmung kann auch durch andere, herkömmliche Methoden wie Beflammung oder durch Kontaktwärme erzeugt werden.
  • Die Temperatur T des Biegeabschnitts 1000 wird lokal auf die erste Temperatur T 1 gebracht. Besonders bevorzugt wird, wenn die Klinge 10 abschnittsweise derart stark erwärmt wird, dass sie braun-rot zu glühen beginnt. Vorzugsweise wird die Klinge 10 nicht über 500°C bis 600°C geheizt, damit sie nicht zu weich wird.
  • Sobald die erste Temperatur T 1 erreicht ist, wird die Kurvenform durch Bewegung mindestens eines der Stifte 21, 22, nach Fig. 1 durch Bewegung des zweiten Stifts 22 entlang der Bewegungslinie 6 in Richtung des Pfeiles 5, eingeformt. Hierbei wird der Stift 22, je nach gewünschter Form, verdreht und/oder verschoben, womit die Klinge 10 aus der Ausgangslage in die gewünschte Endlage überführt wird. Nach Fig. 1 findet die Verschiebung in einer Ebene nach aussen statt, die Drehung beträgt etwa 20 Grad im Gegenuhrzeigersinn.
  • Durch die erhöhte Duktilität des erwärmten Spiralbandes sind bei dieser Art der Halbwarmumformung geringere Umformungskräfte als bei der Kaltverformung notwendig. Da es sich hierbei um eine Halbwarmumformung mit einer Materialtemperatur von T 1, wie oben beschrieben. Es ist dann an dieser Stelle nicht mehr nötig, materialinterne Spannungen oder unerwünschte magnetische Eigenschaften aufgrund der Verformung durch nachträgliche Wärmebehandlung zu beseitigen, da das erfindungsgemässe Verfahren keine oder weniger solcher unerwünschten Effekte aufscheinen lässt, als eine Kaltverformung im umgeformten Material. Die Bestromung kann hierbei bis unmittelbar vor der Bewegung des mindestens einen Stifts 21, 22 oder auch bis zum Abschluss dieser Bewegung oder länger durchgeführt werden. Dies kann von Material und Geometrie der Spiralfeder 1 abhängen.
  • Es ist auch denkbar, dass die Halteelemente bereits vor Einspannung der Feder derart positioniert sind, dass sie die Feder in der gewünschten Endlage halten, wobei die Feder dann beim Einspannen deformiert wird. Danach wird, wie oben beschrieben, auf T 1 erwärmt.
  • Experimentell wurde festgestellt, dass für eine Spiralfeder 1 mit einer CGS-Nummer von 0.45 eine Stromstärke von I = 0.1 Ampere bei einer Spannung von ungefähr U = 0.9 Volt die erforderliche Erwärmung zur Umformung ergeben. Bei einer Spiralfeder 1 mit einem CGS-Wert von 7.5 hat sich herausgestellt, dass eine Stromstärke von I = 0.2 Ampere und eine Spannung von U = 2.3 Volt die Klinge 10 optimal erwärmen.
  • Für das erfindungsgemässe Verfahren ist es also vorteilhaft, wenn je nach Material und Geometrie der Klinge 10, ein Strom zwischen 0.01 Ampere und 1 Ampere und einer Spannung zwischen 0.1 Volt und 10 Volt an den Kurvenabschnitt bzw. an die umzuformenden Kurvenabschnitte der Spiralfeder angelegt werden.
  • Experimente haben gezeigt, dass bei einer Spiralfeder mit einer CGS-Nummer von 7.5 folgende Werte für die elektrische Erwärmung nutzbar sind:
    • Stromstärke I = 0,1 Ampere, Spannung U = 2.9 Volt;
    • Stromstärke I = 0.2 Ampere, Spannung U = 2.5 Volt;
    • Stromstärke I = 0.3 Ampere, Spannung U = 2.0 Volt;
    • Stromstärke I = 0.4 Ampere, Spannung U = 1.8 Volt;
    • Stromstärke I = 0.6 Ampere, Spannung U = 1.7 Volt;
    • Stromstärke I = 1.0 Ampere, Spannung U = 1.5 Volt; und
    • Stromstärke I = 1.2 Ampere, Spannung U = 1.4 Volt.
    Diese Werte sind abhängig von der Länge, dem Durchmesser und der Klinge 10 und der Stifte 21, 22.
  • Die bestromten Abschnitte können so bspw. eine Länge von 2 Millimeter bis 20 Millimeter aufweisen.
  • In Figur 2 werden als Halteelemente zwei Stifte 23, 24 gezeigt, welche sich jeweils durch das Vorhandensein einer Durchgangöffnung 230, 240 statt eines Schlitzes 210, 220 von den Stiften 21, 22 unterscheiden. Durch das Vorsehen der Durchgangöffnung 230, 240 ist auch eine kontrollierte Bewegung in Richtung der Achse des Stiftes 23, 24 möglich. Die Greifabschnitte werden besser gegriffen. Eine solche Einspannung mit den Stiften 23, 24 erlaubt es also, einen Höhenknick aus der Ebene der Spiralfeder 1 in einen Kurvenabschnitt 100 zu formen. Die Halbwarmumformung wird durch Verschieben des beweglichen Stiftes 24 in Richtung des Pfeiles 5 aus der Ebene der Spiralfeder 1 erreicht. Es kann zusätzlich noch ein Drehbewegung vorgenommen werden (nicht dargestellt). Auch hier ist es so, dass vorzugsweise über die Stifte 23, 24, welche entsprechend elektrisch leitend ausgestaltet sind, die Verformung und die Rekristallisation in einem Arbeitsgang auszuführen. Die Halbwarmumformung nach Figur 2 kann bspw. bei der Herstellung von Breguet-Spiralen verwendet werden.
  • Figur 3 zeigt, dass der Kurvenabschnitt 100, welcher durch den Abschnitt der Klinge 10 zwischen den beiden Stiften 21, 22 begrenzt ist, nicht nur als Kreissegment umformbar ist, sondern dass durch die entsprechende Drehstellung des Schlitzes 210, 220 der Stifte 21, 22 eine andere Kurvenform in die Spiralfeder 1 eingebracht werden kann. Mit dem erfindungsgemässen Verfahren können also eine Vielzahl von Kurvenformen in die Spiralen eingebracht werden, wobei die Position des Stiftes 21, 22 im Raum und/oder die achsiale Drehposition des Stiftes 21, 22 geregelt werden.
  • Figur 4 zeigt eine Ausführungsform des Verfahrens, wobei lediglich ein Stift 21 in Ruhe bleibt und deren zwei Stifte 22, 25 bewegt werden. Die Drehstellungen der Stifte 22, 25 werden beim Verschieben der Stifte 22, 25 in der Ebene entlang der Verschiebungspfade 61, 62, 63 so geregelt, dass eine gewünschte Kurvenform aus der Halbwarmumformung resultiert. Auch hier handelt es sich um ein Verfahren der Halbwarmumformung, das heisst, die Klinge 10 ist bei der Umformung auf einer Temperatur T 1 wie oben beschrieben. Durch das Vorsehen von mehr als zwei Stiften 21, 22, 25 ist es möglich, komplexere Kurvenformen in die Spirale 1 einzubringen.
  • Figur 5 zeigt eine alternative Ausführungsform, welche die Verwendung von Stiften 21-25 nicht erfordert. Die Stifte 21-25 können jedoch auch hier verwendet werden, um die Halbwarmumformung besser zu führen. Auch hier wird die Klinge 10 auf die erste Temperatur T 1 erwärmt, wobei dann ein Formwerkzeug 3 mit einer ersten Pressbacke 31 und einer zweiten Pressbacke 32 verwendet werden. Die Pressbacken 31, 32 weisen komplementär zueinander geformte, einander zugeordnete erste und zweite Pressflächen 310 bzw. 320 auf, welche nach Fig. 5 rund sind. Durch Pressen des warmen Biegeabschnitts 1000 der Klinge 10 wird die Halbwarmumformung bewirkt. Durch das Vorsehen von solchen Formwerkzeugen ist es möglich, komplexere Strukturen, welche durch die Verschiebung von der Klinge 10 greifenden Stiften 21-25 im Raum nicht möglich sind. Zur Erwärmung können die Backen 31, 32 entsprechend heiss sein, oder es wird wiederum ein Strom durch den Kurvenabschnitt 100 geleitet. Zur Stromeinleitung können erneut Stifte oder andere Kontaktelemente benutzt werden.
  • Figur 6 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens, wobei die erwärmte Klinge 10 ebenfalls zwischen zwei Pressbacken 33, 34 eines weiteren Formwerkzeugs 3 eingebracht wird. Im Unterschied zu den Backen 31, 32 nach Fig. 5 weisen diese Backen 33, 34 anders ausgeformte dritte und vierte Pressflächen 330 bzw. 340 auf. Die dritte Pressfläche 330 weist eine Ausnehmung 331 auf; die vierte Pressfläche 340 weist einen Pressvorsprung 341 auf, welcher zum Eingriff in die Ausnehmung 331 ausgebildet ist. Mit einem solchen Formwerkzeug 3 nach Fig. 6 können relative kleine Strukturen in die warme Klinge 10 eingebracht werden. Durch diese Art der Umformung gemäss Figur 6 ist es bspw. möglich, die Steifheit der Spiralfeder 1 lokal durch Einbringen von Strukturen, welche sich auf einen kurzen Abschnitt der Klinge 10 beschränkt. Kurz meint hier eine Länge bis zu einer halben Windung oder vom 0.5- bis 5-Fachen, insbesondere etwa dem 2-Fachen der Kurzseite des Querschnitts der Klinge 10. So können bspw. verschiedene an sich anschliessende Abschnitte der Klinge 10 durch verschiedene Formen in eine bestimmte Konfiguration gebracht werden, sodass gewünschte Effekte bezüglich der Steifheit der Klinge 10 erreicht werden können.
  • Figur 7 zeigt eine weitere Struktur, welche durch die Pressflächen 350, 351 in einen warmen Kurvenabschnitt 100 der Spirale 1 einbringbar sind.
  • Die Spiralfeder 1 kann also insbesondere dadurch hergestellt werden, dass das Spiralband 10 in eine Biegefeder 1 umgeformt wird und bei 600°C bis 630°C während etwa zwei Stunden im Vakuum fixiert wird. Danach wird eine Halbwarmumformung der Rohspiralfeder 1 vorgenommen, wobei bei der Halbwarmumformung zumindest der Biegeabschnitt 100 auf die erste Temperatur T 1, vorzugsweise bei ungefähr 500°C, erwärmt wird. Alternativ kann die Spiralfeder 1 elastisch deformiert werden, sodass sie eine gewünschte Endlage einnimmt, worauf dann die Spiralfeder 1, d.h. zumindest deren Biegeabschnitt 1000 auf T 1 erwärmt wird und so die Umformung stattfindet. Es ist auch denkbar, dass die Bewegung der Feder aus einer Ausgangslage in die Endlage parallel zur Erwärmung auf T 1 vorgenommen wird.
  • Nach dieser Umformung kann allenfalls eine weitere thermische Behandlung durchgeführt werden. BEZUGSZEICHENLISTE
    1 spiralförmige Biegefeder
    10a Klinge in Ausgangslage 3 Formwerkzeug
    10 Klinge in Endlage 31 erste Pressbacke
    121 erster Greifabschnitt von 10 310 erste Pressfläche von 31
    122 zweiter Greifabschnitt von 10 32 zweite Pressbacke
    125 fünfter Greifabschnitt von 10 320 zweite Pressfläche von 32
    100 Kurvenabschnitt 33 dritte Pressbacke
    1000 Biegeabschnitt 330 dritte Pressfläche von 33
    331 Ausnehmung
    21 erster Stift 34 vierte Pressbacke
    210 erster Schlitz in 21 340 vierte Pressfläche von 34
    22 zweiter Stift 341 Biegevorsprung
    220 zweiter Schlitz in 22 350 fünfte Pressfläche
    23 dritter Stift 351 sechste Pressfläche
    230 dritter Schlitz in 23
    24 vierter Stift 5 Bewegungsrichtung
    240 vierter Schlitz in 24
    25 fünfter Stift 6, 61, 62, 63 Bewegungslinie
    250 fünfter Schlitz in 25

Claims (14)

  1. Verfahren zur Umformung einer mechanischen Feder (1), insbesondere einer Spiralfeder für ein Uhrwerk, umfassend die Schritte:
    i) Bereitstellen der Feder (1), wobei die Feder (1) mindestens einen zur Umformung vorgesehenen Kurvenabschnitt (100) mit mindestens einem Biegeabschnitt (1000) umfasst; danach
    ii) lokale Erwärmung zumindest des Biegeabschnitts (1000), insbesondere des ganzen Kurvenabschnitts (100), auf eine erste Temperatur T 1, wobei die erste Temperatur T 1 oberhalb der Raumtemperatur und unterhalb einer Rekristallisationstemperatur T RK eines Materials des Biegeabschnitts (1000) liegt; und
    iii) Bewegung des Biegeabschnitts (1000), vorzugsweise des ganzen Kurvenabschnitts (100), zwecks Einbringens einer vorbestimmten Kurvenform in den Kurvenabschnitt (100),
    wobei die Bewegung gemäss Schritt iii) zeitlich nach oder während Schritt ii) erfolgt und eine Halbwarmumformung ist, oder
    wobei die Bewegung nach Schritt iii) zeitlich vor Schritt ii) erfolgt und eine elastische Deformation ist, sodass der Biegeabschnitt die gewünschte Endform einnimmt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste Temperatur T 1 über 100°C liegt und/oder in einem Bereich von 30% der Rekristallisationstemperatur T RK in °C des Materials des Biegeabschnitts (1000) bis zu dieser Rekristallisationstemperatur T RK in °C liegt, vorzugsweise in einem Bereich von 50% dieser Rekristallisationstemperatur T RK in °C bis zu 70% dieser Rekristallisationstemperatur T RK in °C, insbesondere bei 60% bis 65% dieser Rekristallisationstemperatur T RK in °C liegt.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Material des Biegeabschnitts (1000) bzw. des Kurvenabschnitts (100) ein Nickel-Eisen-Legierung ist und/oder die erste Temperatur T 1 im Bereich von 300°C bis 750°C liegt, vorzugsweise im Bereich von 450°C bis 700°C liegt, bevorzugt im Bereich von 550°C bis 650°C liegt, besonders bevorzugt im Bereich von 600°C bis 620°C liegt, und insbesondere bei 610°C liegt.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Feder (1) oder der Kurvenabschnitt (100) oder der Biegeabschnitt (1000) in Schritt ii) nur während 0.1 Sekunde bis 60 Sekunden, vorzugsweise nur während 0.5 Sekunde bis 30 Sekunden, vorzugsweise nur während 0.5 Sekunden bis 5 Sekunden und insbesondere nur während 2 Sekunden bis 5 Sekunden des ganzen Kurvenabschnitts (100) auf der ersten Temperatur T 1 ist und dann abgekühlt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Feder (1) vor Schritt i) vorzugsweise während 100 Minuten bis 150 Minuten, insbesondere während 120 Minuten, bei einer Fixierungstemperatur fixiert wird, welche Fixierungstemperatur insbesondere im Bereich von 580°C bis 630°C, vorzugsweise im Bereich von 600°C bis 610°C, oder höher als T 1 ist.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Biegeabschnitt (1000), vorzugsweise der ganze Kurvenabschnitt (100) oder die ganze Feder (1), nach Schritt iii) einer weiteren Wärmebehandlung unterzogen wird, bei welcher der Biegeabschnitt (1000), vorzugsweise der ganze Kurvenabschnitt (100) oder die ganze Feder (1), während 1bis 24 Stunden auf vorzugsweise 250°C bis 350°C, insbesondere auf 300°C, gehalten wird.
  7. Verfahren nach einem Ansprüche 1 bis 6, wobei die Feder (1) eine Spiralfeder ist und/oder wobei der Kurvenabschnitt (100) gleich lang wie oder weniger lang als eine ganze Windung, vorzugsweise gleich lang wie oder weniger lang als eine halbe Windung einer vorzugsweise äusseren, insbesondere äussersten, Windung der Feder (1) ist, wobei der Kurvenabschnitt (100) vorzugsweise eine Endkurve der Spiralfeder (1) ist.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Kurvenabschnitt (100) mindestens einen ersten und zweiten Greifabschnitt (121,122;123,124;125) aufweist; wobei diese Greifabschnitte (121,122;123,124;125) jeweils in ein Halteelement (21,22;23,24;25) eingebracht werden, wobei bei der Bewegung des Biegeabschnitts (1000) mindestens eines der Halteelemente (21,22;23,24;25) bewegt wird, um die Umformung des Biegeabschnitts (1000) zu bewirken.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Haltelemente (21,22;23,24;25) als Stifte ausgebildet sind.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Halteelemente (21,22;23,24;25) eine Ausnehmung (210,220;230,240;250), insbesondere einen Schlitz oder ein Durchgangsloch, zum Einbringen der Greifabschnitte (121,122;123,124;125) aufweisen.
  11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Bewegung des mindestens einen Halteelements (21,22;23,24;25) eine Änderung einer Drehposition des Halteelements (21,22;23,24;25) und/oder eine Verschiebung des Halteelements (21,22;23,24;25) im Raum umfasst.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Erwärmung auf die erste Temperatur T 1 durch elektrische Bestromung des Biegeabschnitts (1000), insbesondere des Kurvenabschnitts (100), erzeugt wird, wobei die Halteelemente (21,22;23,24;25) vorzugsweise elektrisch leitend sind und eine elektrische Spannung, vorzugsweise eine Gleichspannung, über zumindest eines, vorzugsweise zumindest zwei der Halteelemente (21,22;23,24;25) angelegt wird, wobei eine Stromstärke im Bereich von 0.001 Ampere und 10 Ampere, vorzugsweise im Bereich von 0.01 Ampere bis 1 Ampere und eine Spannung, vorzugsweise eine Gleichspannung, im Bereich von 0.1 Volt bis 25 Volt, insbesondere im Bereich von 1 Volt bis 10 Volt liegt.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Feder (1) einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt mit einer Langseite von 50 Mikrometer bis 400 Mikrometer, insbesondere von 150 Mikrometer, und eine Kurzseite von 10 Mikrometer bis 60 Mikrometer, insbesondere zwischen 20 Mikrometer und 45 Mikrometer, oder von 30 Mikrometer aufweist.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Bewegung des Biegeabschnitts (1000) durch ein Formwerkzeug (3) mit zwei relativ zueinander beweglichen Pressbacken (31,32;33,34) durchgeführt wird.
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