[发明专利]重力仪用高精度金属零长弹簧及其制造工艺

说明书

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，