一種重力儀用高精度金屬零長彈簧及其制造裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及地學(xué)儀器核心元器件及其加工技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種重力儀用 高精度金屬零長彈簧及其制造裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 重力加速度是一個基本的物理量，準(zhǔn)確測量重力加速度在地球科學(xué)、資源勘探等 領(lǐng)域都具有重要意義。
[0003] 在科學(xué)技術(shù)蓬勃發(fā)展的今天，高精度彈性元件被廣泛地應(yīng)用于精密儀器儀表和精 密機(jī)械中，其中高精度金屬零長彈簧被成功地應(yīng)用于重力儀去精確地測量地球的絕對重力 和相對重力。金屬零長彈簧技術(shù)提高了重力儀抗水平擾動能力和機(jī)械探頭靈敏度，同時減 小了探頭的結(jié)構(gòu)尺寸，是零長彈簧重力儀能夠快速、準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)地獲取高精度、大面積和高 分辨率(80-100km)地球重力場數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)。
[0004] 目前利用石英彈簧、金屬彈簧為測量核心進(jìn)行地球重力測量的有美國、德國和俄 羅斯等國家。而相比于用石英彈簧作為測量源頭的動、靜態(tài)重力儀來講，金屬零長彈簧重力 儀則零漂最小、精度最尚、可靠性更強(qiáng)。金屬零長彈黃的尚精度對研制工藝有很尚的要求， 其研制方法也受到了國外重力儀研制單位的嚴(yán)格保密，而國內(nèi)對于高精度金屬零長彈簧的 研制也處于相對滯后的狀態(tài)，所用到的金屬零長彈簧也都非自主研制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本實(shí)用新型的目的就在于打破國外高精度金屬零長彈簧的技術(shù)封鎖，自主研制重 力儀高精度金屬零長彈簧，即提供一種重力儀用高精度金屬零長彈簧及其制造裝置，使得 制作的零長彈簧其靈敏度為〇. 1微米/毫伽（1微伽=HT6伽，1毫伽=KT3伽，1伽=lcm/s_2)， 月漂移率為0.3毫伽。
[0006] 本實(shí)用新型的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：
[0007] 一、重力儀用高精度金屬零長彈簧(簡稱彈簧）
[0008] 本彈簧是一種簧絲并圈緊密排列在一起的螺旋彈簧；
[0009] P = kL；
[0010] P:彈簧所受拉力，k:彈簧剛度，L:彈簧長度；
[0011] 若 P = 0,則 L = 0。
[0012] 二、重力儀用高精度金屬零長彈簧制造工藝(簡稱工藝）
[0013] 本工藝包括下列步驟：
[0014] ①簧絲采用恒彈性材料；
[0015] ②將高精度的繞簧芯軸裝夾在車床主軸與尾座之間，利用繞簧送料裝置以45-75r/min的轉(zhuǎn)速在繞簧芯軸上繞制彈簧；
[0016] ③將繞制好的彈簧連同繞簧芯軸一塊放入真空度達(dá)HT5Pa的VSF-4真空爐的爐膛 內(nèi)，室溫入爐，然后以每小時90-150°C的升溫速率升溫至630-670°C，并保溫3-4h，隨爐自然 冷卻，出爐溫度控制在60°C以下；
[0017] ④將一根經(jīng)過精密機(jī)械加工的階梯軸裝在高精密車床主軸與尾座之間，把經(jīng)過上 述熱處理定型的彈簧從階梯軸的粗端套入，然后固定彈簧的一端，按60-75r/min的轉(zhuǎn)速開 動車床，使彈簧經(jīng)過翻簧裝置由階梯軸的細(xì)端翻出；
[0018] ⑤將彈簧端部的半圓彎成90°，保證該半圓通過彈簧中心線的平面；
[0019] ⑥將成型后的彈簧放入真空爐內(nèi)進(jìn)行預(yù)拉力的矯正，真空度為10_5Pa，按每小時2-2.5°C的升溫速率升溫至260-450°C，隨爐冷卻到室溫出爐；
[0020] ⑦對經(jīng)過預(yù)拉力矯正的彈簧進(jìn)行表面質(zhì)量、線性度、剛度、預(yù)拉力、有效圈數(shù)和中 徑的性能檢測。
[0021 ]本實(shí)用新型具有下列優(yōu)點(diǎn)和積極效果：
[0022]①高精度的繞簧芯軸保證了彈簧中徑D2的誤差小于0.03mm，有效圈數(shù)η小于0.5; [0023]②熱處理定型和人工時效使得彈簧的日漂移量達(dá)到0.01微米；
[0024] ③翻簧裝置確保繞簧時簧絲的張力均勻一致和螺旋角精確，保證了翻簧精度、提 高了零長彈簧的成品率；
[0025] ④嚴(yán)格的熱處理定型使得彈簧獲得良好的表面質(zhì)量、機(jī)械性能，消除了加工過程 產(chǎn)生的應(yīng)力；
[0026] ⑤制作的零長彈簧靈敏度高、尺寸小，能滿足重力儀高精度測量對彈性元件的要 求。
【附圖說明】
[0027] 圖1是本彈簧的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖2是繞簧送料裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029] 圖3.1是翻簧裝置的主視圖（全剖），
[0030] 圖3.2是翻簧裝置的左視圖。
[0031 ]圖中：
[0032] 〇〇-簧絲；
[0033] 1〇-零長彈簧，
[0034] d-絲徑，η-有效圈數(shù)，D2 -中徑；
[0035] 20-繞簧送料裝置，
[0036] 21-偏心輪，22-壓絲座，23-進(jìn)線輪，24-定滑輪，
[0037] 25-動滑輪，26-配重塊，27-清洗槽，28-繞線輪；
[0038] 29-旋絲輪；
[0039] 30-翻簧裝置，
[0040] 31-導(dǎo)向座，32-滑塊，33-調(diào)節(jié)彈簧，34-調(diào)整螺絲，
[0041] 35-翻簧芯軸；
【具體實(shí)施方式】
[0042]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)說明：
[0043] -、彈簧的結(jié)構(gòu)
[0044] 如圖I，本彈簧是一種簧絲并圈緊密排列在一起的螺旋彈簧；
[0045] 絲徑d = 0 · 4-0 · 55mm;
[0046] 有效圈數(shù) n = 140-180 圈；
[0047] 中徑 D2 = 7_9mm;
[0048] 彈簧的分辨率為10-6mm。
[0049] 該高精度金屬零長彈簧同時滿足下述兩個公式：
[0050] k = (!) SD2-iH
[0051] P = kL (2)
[0052] 若 p = 〇 JlJL = O;
[0053] G:剪切彈性模量，
[0054] k:彈簧的剛度，
[0055] d:彈簧絲徑，
[0056] D2:彈簧中徑，
[0057] η:彈簧有效圈數(shù)，
[0058] P:彈簧所受拉力，
[0059] L-彈簧的長度。
[0060]二、工藝
[0061] 步驟① ：
[0062] 采用恒彈性材料，可以最大限度地降低溫度引起的彈簧彈性模量的改變(重力儀 0.01°C控溫精度環(huán)境下)進(jìn)而提高測量精度;高彈性極限能滿足彈簧具有最低的日漂移量 (HT 2微米/天）；良好的加工性能保證彈簧能順利繞制、翻簧和彎鉤。
[0063] 步驟②：
[0064]如圖2,所述的繞簧送料裝置20包括偏心輪21、壓絲座22、進(jìn)線輪23、8個定滑輪24、 2個動滑輪25、配重塊26、清洗槽27、繞絲輪28和旋絲輪29;
[0065] 簧絲00從繞絲輪28引出，經(jīng)過清洗槽27中第1、2定滑輪241、242的導(dǎo)向、達(dá)到位于 一定高度（離地面1.5-2m)的起導(dǎo)向作用的第3定滑輪243,再經(jīng)過由第4、5、6定滑輪244、 245、246 (定滑輪組)和第1、2動滑輪251、252 (動滑輪組）以及配重塊26組成的滑輪組，再經(jīng) 過第7、8定滑輪247、248的導(dǎo)向作用，又經(jīng)過起調(diào)整簧絲00位置作用的進(jìn)線輪23、還經(jīng)過壓 絲座22和偏心輪21的最后壓緊和精洗，最后經(jīng)過旋絲輪29調(diào)整旋繞角度(89.5°)，簧絲到達(dá) 安裝于車床主軸與尾座之間的繞簧芯軸X上繞制彈簧。