用于制造钟表的摆轮的方法与流程

本申请是申请日为2018年11月30日、名称为“用于制造钟表的摆轮的方法”的专利申请201811455309.4的分案申请。

本发明涉及一种制造用于钟表的摆轮的方法，该摆轮包括轮缘、轮毂和至少一个将轮毂连接到上述轮缘的臂。

背景技术：

机械钟表的振荡器或谐振器由螺旋游丝和称为摆轮的飞轮组成。温度变化改变了螺旋游丝的刚性以及游丝和摆轮的几何形状，这改变了游丝常数和惯性，从而改变了振荡频率。时钟制造商努力获得温度稳定的振荡器，并且已经探索/利用了几种途径，其中一种途径获得了诺贝尔奖，为charles-edouardguillaume的艾林瓦(elinvar)合金开发，所述艾林瓦合金的弹性模量随温度而增加并且补偿摆轮惯性的增加。此后，氧化的、因此热补偿过的硅的发展超过了艾林瓦合金的性能，并且具有对磁场较不敏感的优点。由单晶石英制成的螺旋游丝还允许对摆轮的惯性变化进行热补偿。但与氧化厚度可根据所用摆轮的材料而变化的氧化的硅相反，石英螺旋游丝限于热膨胀系数约为10ppm/℃的材料，例如对应于钛和铂。这些材料的主要问题是可加工性和对精细结构和/或终加工处理(例如镜面抛光)的控制。在钛的情况下，其相对低的密度限制了其用于大的摆轮的用途，并且在铂的情况下，其高价格将其用途限制到了声望产品和奢侈品。

技术实现要素：

本发明的目的是，通过提出一种利用新材料进行的摆轮制造方法来弥补这些缺点，从而允许更简单和更精确的制造，以便例如减少相同的生产批次中动量和/或可变性的变化。

为此，本发明首先涉及一种用于制造钟表的摆轮的方法，该摆轮包括轮缘、轮毂和将轮毂与前述轮缘连接的至少一个臂，所述轮缘、轮毂和臂由金属合金制成，上述方法包括以下步骤：

a)制造为摆轮的负形状(negativeshape)的模具；

b)获得热膨胀系数小于25ppm/℃并且当其被加热到在其玻璃化转变温度和其结晶温度之间的温度时能够处于至少部分非晶态的金属合金；

c)将金属合金放入模具中，将所述金属合金加热到在其玻璃化转变温度和其结晶温度之间的温度，以便被热模制并形成摆轮；

d)冷却所述金属合金，以获得由所述金属合金制成的摆轮；

e)将在步骤d)中获得的摆轮从其模具中释放出来。

本发明还涉及一种用于制造钟表的摆轮的方法，该摆轮包括轮缘、轮毂和至少一个将轮毂连接到上述轮缘的臂，轮毂和臂由金属合金制成，轮缘由密度高于制造轮毂和臂的上述金属合金的密度的材料制成，所述方法包括以下步骤：

a)制造为摆轮的负形状的模具；

a')将由密度高于上述金属合金的密度的材料制成的轮缘或多个轮缘部分插入所述模具中；

b)获得热膨胀系数小于25ppm/℃并且当其被加热到在其玻璃化转变温度和其结晶温度之间的温度时能够以至少部分非晶态存在的金属合金；

c)将金属合金放入模具中，将所述金属合金加热到在其玻璃化转变温度和其结晶温度之间的温度以便被热模制，并对所述轮缘或轮缘部分进行包覆模制，以便模制具有插入件的摆轮；

d)冷却所述金属合金，以获得具有插入件的摆轮；

e)将在步骤d)中获得的摆轮从其模具中释放出来。

由于非晶态金属的特性，可以通过使用简化的制造方法(例如铸造方法或热模制方法)来生产金属合金摆轮。此外，由于没有位错，处于其至少部分非晶态形式的金属合金的一个特性是，具有比其结晶等同物明显更宽的弹性变形范围。该特性使得可以进行包覆模制或集成使得可以改善定心以及控制摆轮中的惯性和/或不平衡的元件。

附图说明

参考附图，其它特征和优点将通过随后的描述而变得明显，该描述仅用于指示性的而非限制性的目的，其中：

-图1是根据本发明制造的摆轮的立体图；

-图2是根据本发明制造的一种替代摆轮的局部俯视图；

-图3是根据本发明制造的另一种替代摆轮的局部俯视图；

-图4是沿图3中的轴线a-a的剖面；和

-图5至10是根据本发明制造的其它摆轮替代形式的局部俯视图。

具体实施方式

图1示出了用于钟表的摆轮1。这种摆轮1常规地包括限定摆轮1的外径的连续或不连续的轮缘2以及构成其中心部分并包含限定摆轮1的枢转点的孔6的轮毂4，该孔接收轴(未示出)。轮毂4通过臂8共同连接到轮缘2。在该示例中，有四个彼此成90°的臂8。还有具有两个或三个臂的摆轮，所述臂分别以180°或120°布置。

根据第一实施例，轮缘2、轮毂4和臂8由相同的金属合金制成。摆轮1有利地是一体式部件，即它以一体件形式制造。

摆轮1可以例如完全由含有铂或钯的合金制成，如下文详细描述的。由于铂具有特别高的密度(21,000kg/m³)，因此本发明中使用的铂合金也具有高密度(15.5g/m³)，因此不必须添加由具有高密度的元件制成的部件来增加摆轮的惯性。

为此，根据本发明的第一实施例，制造其中轮缘2、轮毂4和臂8由相同的金属合金制成的摆轮1的方法包括以下步骤：

a)制造为摆轮1的负形状的模具，所述模具包括可能的装饰表面结构；

b)获得热膨胀系数典型地低于25ppm/℃并且当其被加热到在其玻璃化转变温度和其结晶温度之间的温度时能够处于至少部分非晶态的金属合金；

c)将金属合金放入模具中，将所述金属合金加热到在其玻璃化转变温度和其结晶温度之间的温度，以便被热模制并形成摆轮；

d)冷却上述金属合金，以获得由上述金属合金制成的摆轮1；

e)将在步骤d)中获得的摆轮1从其模具中释放出来。

冷却步骤d)可以选择的冷却速率进行，以获得结晶的、部分非晶态的或完全非晶态的合金。

例如，摆轮1也可以完全由含有钛或锆的合金制成，这将在下文中详细描述。由于锆例如具有较低的密度，因此本发明中使用的锆合金也具有较低的密度(6.5g/m³)，因此建议添加由密度更大的材料制成的部件以增加摆轮的惯性，特别是如果希望摆轮具有用于小机芯的小尺寸时。这些部件使得可以增加摆轮的惯性，同时保持美观的轮缘几何形状和良好的空气动力学特性。

因此，根据图2所示的第一替代方案，轮缘2可包括包覆模制的第一惯性调节构件10，所述第一惯性调节构件10由密度高于所述金属合金的密度的材料制成。这些第一惯性调节构件10例如可以由钨或碳化钨制成，并且通过包覆模制获得。

为实现此目的，本发明的方法包括：借助于在金属合金被引入和包覆模制之前放入模具中的插入件将上述第一惯性调节构件10包覆模制到轮缘2中的步骤，所述第一惯性调节构件10由密度高于上述金属合金的密度的第一材料制成。

根据第二实施例，摆轮的臂和轮毂由金属合金制成，轮缘由密度高于用于臂和轮毂的上述金属合金的密度的材料制成。该材料本身可以是如下限定的含有铂或钯的金属合金或其它材料。摆轮的臂和轮毂例如由如下限定的含有锆的非晶态金属合金制成，以便允许摆轮与优选由单晶石英制成的螺旋游丝配对，并且，为了改善摆轮的惯性，轮缘由密度大于用于臂和轮毂的含锆金属合金的密度的另一材料制成。

为了实现这一点，根据本发明的第二实施例，用于钟表的摆轮的轮毂4和臂8由金属合金制成，轮缘2由密度高于制造轮毂4和臂8的上述金属合金的密度的第二材料制成，用于制造这种摆轮的方法包括以下步骤：

a)制造为摆轮1的负形状的模具；

a')将由密度高于上述金属合金的密度的材料制成的轮缘或多个轮缘部分插入到模具中；

b)获得热膨胀系数小于25ppm/℃并且当其被加热到在其玻璃化转变温度和其结晶温度之间的温度时能够处于至少部分非晶态的金属合金；

c)将金属合金放入模具中，将所述金属合金加热到在其玻璃化转变温度和其结晶温度之间的温度以便被热模制，并对轮缘或所述轮缘部分进行包覆模制以模制具有插入件的摆轮；

d)冷却所述金属合金，以获得具有插入件的摆轮；

e)将在步骤d)中获得的摆轮从其模具中释放出来。

冷却步骤d)可以选择的冷却速度进行，以获得结晶的、部分非晶态的或完全非晶态的合金。

根据第一或第二实施例的本发明方法有利地利用金属合金的特性，该金属合金在加热时能够至少部分地处于非晶态的形式，以便制造由金属合金制成的摆轮。

实际上，当加热时能够处于至少部分非晶态的形式的金属合金通过允许以更高的精度生产具有复杂形状的部件而允许更大的模制便利性。这是因为“非晶态金属”的特殊特性，对于每种合金特定的特别温度区间[tg-tx](例如对于含zr的合金：tg＝440℃，tx＝520℃)中，所述“非晶态金属”可以在一定时间内保持非晶态的同时软化。因此，可以在相对低的应力和不太高的温度下使它们成形，从而允许使用简化的方法，例如热成型。此外，这种材料的使用使得可以根据温度区间[tg-tx]内的温度快速精确地再现精细几何形状，合金因此具有负形状的所有细节。例如，对于如下限定的含有铂的材料，模制在约300℃下进行，其中粘度达到103pa·s并且在1mpa的压力下，而不是在温度tg下粘度为1012pa·s。模具的使用具有以高精度生产三维部件的优点，这是通过切割或冲压无法实现的。

有利地使用的方法是非晶态预制件的形成。该预制件是通过在炉中熔化构成金属合金的金属组分而获得的。该熔化在受控气氛下进行，目的是获得尽可能低的合金的氧污染水平。一旦这些组分熔化，就将它们浇铸成半成品的形状，然后快速冷却以部分或完全保持非晶态状态。一旦完成预成型，就进行热成型，目的是获得最终部件。通过在金属合金的玻璃化转变温度tg和结晶温度tx之间的温度范围内压制一段时间来进行热模制，使得保持至少部分非晶态结构。这样做是为了保持非晶态金属的弹性特性。

在含有zr的合金并且温度为440℃的情况下，压制时间通常不必超过约120秒。因此，热模制使得可以保持预成型件的初始非晶态状态。然后，根据本发明的铸造实心摆轮的各种成形步骤是：

1)将具有摆轮的负形状的模具加热到选定的温度，

2)将非晶态金属预制件放到热模具之间，

3)对模具施加夹紧力，以便将模具的几何形状赋予非晶态金属预制件，

4)等待预选择的最长时间，

5)打开模具，

6)冷却摆轮，和

7)从模具中去除摆轮。

摆轮当然也可以通过铸造或注入来生产。该方法包括铸造或注入在其玻璃化转变温度和其结晶温度之间的温度下的加热的金属合金，使得它可以在具有最终部件形状的模具中呈至少部分地非晶态。

模具可以重复使用或溶解以释放部件。模制方法具有完美复制摆轮几何形状的优点，所述摆轮几何形状包括可能的装饰或表面结构。在摆轮的生产批次中获得较小程度的惯性和定心变化。模制方法使得可以获得具有美观的几何形状、敏锐的内角、轮缘轮廓和/或凸形臂轮廓以及完美最终表面的摆轮。还可以提供不连续的轮缘。为了获得最高质量，模具将通过drie[深反应离子蚀刻]方法由硅制成。可以自我理解的是，模具也可以通过机械铣削、激光加工、电腐蚀或任何其它类型的加工来构造。

作为非晶态金属特征的弹性特性用于将功能性和/或装饰性元件包覆模制或集成在轮缘中和/或臂的位置处和/或轮毂的位置处，例如通过使加热的金属合金在其玻璃化转变温度和其结晶温度之间而使其至少部分是非晶态的之前将适当的插入件放入模具中。

独立于本发明方法的第一或第二实施例，轮缘2可包括凹槽12，凹槽12被设计成接收用于调节惯性和/或不平衡的第二构件14、15，如图3所示。这些凹槽12可有利地在根据本发明的方法通过模制制造摆轮1期间提供。用于调节惯性和/或不平衡的第二构件14、15例如可以是配重、用作配重的裂口配重、销14、开口销或不平衡调节销15。这些部件被压入或夹紧到相应的凹槽12中。图3示出了插入到其凹槽12中的销14，以及插入到其凹槽12中的不平衡调节销15。图4示出了沿着图3的a-a线的剖面。图3示出了插入轮缘2的凹槽12中的不平衡调节销15。

显而易见的，用于增加摆轮惯性的这些构件优选在轮缘由具有低密度的材料制成的情况下使用，所述低密度的材料例如为钛或锆，但是它们也可以在轮缘由另一种材料制成的情况下使用。

为了增加摆轮的惯性，还可以设置更厚或更宽的轮缘，特别是在更大的摆轮的情况下。

图3中所示的凹槽12也可以是设计成用于接收美学和/或发光元件的凹槽，所述美学和/或发光元件例如为氚管(未示出)或磷光(例如强力夜光型)或荧光材料的胶囊。

根据本发明的另一个方案，该方法的一个或另一个步骤包括将柔性定心构件16、17包覆模制到轮毂4的外周或表面上的步骤。因此，轮毂4可以包括集成的柔性定心构件，由于上述柔性定心构件的弹性变形，该集成的柔性定心构件允许摆轮在其组装期间自定心到轴线上。

根据图5，上述集成的柔性定心构件16是所示的在轮毂4的内周内的弹性条带，使得集成的柔性定心构件16位于孔6中。根据图6，上述集成的柔性定心构件17位于轮毂4的表面且围绕孔6分布。根据本发明的方法，柔性定心构件16和17可有利地在摆轮1的制造过程中通过模制而插入。

根据本发明的另一个方案，这些方法中的一个或另一个包括将第三柔性惯性调节构件19、20、22a、22b包覆模制在臂8中的步骤。臂8中的至少一个臂因此承载集成的第三柔性惯性调节构件。

根据图7，臂8的位于轮缘2侧的端部终止于两个分支8a、8b，在所述两个分支8a、8b之间形成空间18，第三“v”形柔性双稳态惯性调节元件19集成在该空间18中以用于调节频率的目的。

根据图8，空间18容纳第三柔性惯性调节构件20以用于调节频率的目的。为此，第三惯性调节构件20由具有与本发明的摆轮的金属合金不同的膨胀特性的诸如硅或氧化硅的材料制成。

根据图9，臂8的位于轮缘2侧的端部终止于三个分支8a、8b、8c，在所述三个分支8a、8b、8c之间形成两个空间18a、18b，在所述两个空间18a、18b中集成有第三柔性多稳态惯性调节棘齿部件22a、22b以用于调节频率的目的。

根据本发明的方法，用于调节频率的这些第三柔性惯性调节构件19、20、22a、22b也可以有利地在摆轮1的制造期间通过模制而就位。

当整个摆轮由相同的金属合金制成以及当臂由一种金属合金制成、而摆轮的其余部分、特别是轮缘由另一种材料制成时，可以采用这些用于调节频率的第三柔性惯性调节构件19、20、22a、22b。。

根据本发明的另一个替代方案，在本发明的一个或另一个方法中使用具有形成装饰件或光子网格的微结构的模具。因此，臂8、轮缘2和轮毂4中的一个具有结构化表面质量。只有一个部分可以具有结构化表面质量，或者摆轮的所有部分都可以具有结构化表面质量，这种结构化表面质量相同或不同。图10示出了本发明的摆轮，其中轮缘2具有与臂8的结构化表面质量不同的结构化表面质量。这种结构化表面质量可以是抛光的、磨光的(glossed)、磨砂的、珠状的、日耀的(sunlit)等的状态。还可以在用于制造摆轮的模具中提供形成光子网格(photonicnetwork)的微结构，以便在摆轮的表面上复制这些微结构。这些微结构可以使得产生光子晶体，从而使部件具有某种颜色、全息图或衍射图案，这可以构成防伪特征。这些结构直接引入模具中，并在摆轮生产过程中通过热成型进行复制，这不需要任何额外的精加工操作。还可以在模具中添加徽标。

用于本发明方法的金属合金的热膨胀系数通常小于25ppm/℃且大于7ppm/℃，并且当它被加热到在其玻璃化转变温度与其结晶温度之间的温度时，能够以至少部分非晶态的状态存在。

用于本发明方法的金属合金优选基于选自铂、锆、钛、钯、镍、铝和铁的元素。

在本说明书中，表述“基于某种元素”是指上述金属合金含有以重量计至少50％的前述元素。

用于本发明的上述金属合金可以基于铂，并可以具有小于12ppm/℃、优选地在8ppm/℃和12ppm/℃之间的热膨胀系数。

这种基于铂的金属合金以原子百分比计可由以下构成：

-铂为基本组分，其含量构成余量，

-13％至17％的铜，

-3％至7％的镍，

-20至25％的磷。

用于本发明的金属合金也可以基于锆，并且可以具有小于12ppm/℃、优选地在8ppm/℃和11ppm/℃之间的热膨胀系数。

这种基于锆的金属合金以原子百分比计可由以下构成：

-锆为基本组分，其含量构成余量，

-14％至20％的铜，

-12％至13％的镍，

-9％至11％的铝，

-2％至4％的铌。

用于本发明的金属合金也可基于钯，并且可以具有小于20ppm/℃、优选地在13ppm/℃和18ppm/℃之间的热膨胀系数。

这种含钯的金属合金以原子百分比计可由以下构成：

-钯为基本组分，其含量构成余量，

-25％至30％的铜，

-8％至12％的镍，

-18％至22％的磷。

理想地，本发明中使用的合金不含任何杂质。然而，它们可能包括痕量杂质，这些杂质通常不可避免地来自上述合金的制备。

如果用于本发明的合金具有小于12ppm/℃且大于8ppm/℃的热膨胀系数，则它们可用于制造与优选地由单晶石英制成的螺旋游丝配对的摆轮的至少一部分。本发明中使用的具有小于20ppm/℃且大于13ppm/℃的热膨胀系数的合金可用于制造将与由金属或硅制成的螺旋游丝配对的摆轮的至少一部分。

更优选地，用于本发明的所述基于铂的金属合金以原子百分比计包括：57.5％的pt、14.7％的cu、5.3％的ni和22.5％的p。

这种合金的热膨胀系数在11ppm/℃和12ppm/℃之间。

本发明中使用的上述基于锆的金属合金更优选地以原子百分比计包括：58.5％的zr、15.6％的cu、12.8％的ni、10.3％的al和2.8％的nb。

这种合金的热膨胀系数在10.5ppm/℃和11ppm/℃之间。

本发明中使用的上述基于钯的金属合金更优选地以原子百分比计包括：43％的pd、27％的cu、10％的ni和20％的p。

这种合金的热膨胀系数在15ppm/℃和16ppm/℃之间。

因此，本发明的摆轮由一种材料制成，该材料使得可以使用简单的制造方法，同时具有允许它们与由单晶石英和/或金属或硅制成、优选地由单晶石英制成的螺旋游丝配对的热膨胀系数。根据本发明的摆轮还可以至少使臂具有允许其与单晶石英和/或金属或硅的螺旋游丝配对的热膨胀系数，同时通过保持紧凑且美观的轮缘几何形状而具有高惯性，其中通过适当的轮缘而具有小体积，所述适当的轮缘或者包括由更高密度的材料制成的部分，或者其本身由更高密度的材料制成。