Sprężyna w zegarku

mechanicznym

Plan prezentacji

1.

Przedstawienie przedmiotu.

2.

Warunki pracy.

3.

Wymagania techniczne stawiane wyrobowi.

4.

Technologia wytwarzania.

5.

Uszkodzenia w trakcie eksploatacji,
regeneracja, recykling.

6.

Charakterystyka zaproponowanych materiałów.

7.

Ocena właściwości i wybór odpowiedniego
materiału.

8.

Materiały przyszłości.

9.

Literatura.

Sprężyna w zegarku
mechanicznym

Co to jest  zegarek mechaniczny?

Zegarek mechaniczny jest to zegarek napędzany wyłącznie przez
wykorzystanie energii  sprężyny napędowej. Energia mechaniczna
powstaje na skutek samoczynnego rozprężania wcześniej ręcznie
lub automatycznie skręconej sprężyny i przekazywana jest za
pomocą wychwytu do balansu- regulatora chodu, który steruje
pracą przekładni przesuwającej wskazówki. Sprężyna naciągu jest
w tym przypadku mechaniczną baterią “przechowującą” energię
kinetyczną do napędzania zegarka.

Rys. Zegarki mechaniczne

Sprężyna w zegarku
mechanicznym

Zarys historyczny:



VIII w. n. e. pierwszy zegar mechaniczny o napędzie wodnym
zbudowano w Chinach,



XX w. pierwsze zegar mechaniczny w Europie za sprawą
papieża Sylwestra II,



XIV w. pierwsze zegary mechaniczne wieżowe,



ok. 1450 r. został wynaleziony napędowy mechanizm
sprężynowy,



ok. 1510 r. Peter Henlein zastosował go w pierwszym zegarze
kieszonkowym,



na przełomie XVIII i XIX w. pojawiły się w Genewie pierwsze
naręczne zegary z napędem sprężynowym nakręcane
koronką;



1919 r. masowa produkcja zegarków naręcznych;



1923 r. opatentowanie naciągu automatycznego.

Sprężyna w zegarku
mechanicznym

Budowa zegarka mechanicznego:



szkło,



ramka (luneta),



koronka,



koperta,



tarcza,



wskazówki,



mechanizm,



dekiel.

Rys. Budowa zegarka mechanicznego

Sprężyna w zegarku
mechanicznym

Najpopularniejsze zegarki na świecie:



Rolex,



Omega,



Zenith,



Patek-Phillipe,



Longines



Breguet (Francja),



Swatch,



Seiko (Japonia),



Tissot,



Timex (USA).

Rys. Zegarki: Rolex President, Omega De Ville, Zenith El Primero

Sprężyna w zegarku
mechanicznym

Mechanizm zegarka mechanicznego jest  złożony
z trzech głównych  zespołów:



mechanizmu naciągu ze sprężyną główną do zasilania
zegarka,



przekładni wskazań,  która  przenosi siłę i  porusza
wskazówkami,



koła balansowego które obraca się do przodu i do tyłu,
aby utrzymać dokładność.

Rys. Przykładowe mechanizmy zegarków firmy ZENITH

Sprężyna w zegarku
mechanicznym

Ze względu na źródło napędu sprężyny:



manualny naciąg (mechanical) ,



automatyczny naciąg (automatic).

Rys. Przykładowe mechanizmy z automatycznym naciągiem.

Dokładność chodu takich zegarków to ok. +/- 20 s na dobę w
dobrych modelach.

Sprężyna w zegarku
mechanicznym

Sprężyna w zegarku
mechanicznym

W zegarach stosuje się trzy rodzaje napędów sprężynowych:



w pierwszym zewnętrzny koniec sprężyny zamocowany jest do nieruchomej
części korpusu, a wewnętrzny nawija się na wałku sprężyny, napędzając go.
Sprężyna jest zwykle bez bębna. Ten rodzaj napędu stosowany jest tylko w
najtańszych zegarach, najczęściej popularnych budzikach. Jego
najpoważniejszą wadą jest zatrzymywanie się mechanizmu w czasie
nakręcania sprężyny.



W drugim rodzaju napędu sprężyna umieszczona jest zwykle w bębnie,
koniec wewnętrzny umocowany jest do nieruchomego wałka służącego do
nakręcania sprężyny, mechanizm napędzany jest zewnętrznym końcem
sprężyny umocowanej do wewnętrznej powierzchni bębna. Ten rodzaj
stosowany jest w zegarach wyższej klasy.



W trzecim rodzaju napęd jest przekazywany dwoma końcami sprężyny. Jeden
koniec może napędzać mechanizm chodu, a drugi mechanizm bicia.



Rys. Sprężyna zegarowa umieszczona w bębnie

Warunki pracy



zakres temperatury pracy: od ok. -20°C do +50°C;



narażenie na nagłe skoki temperatury,



cykliczny charakter pracy,



obciążenie momentem skręcającym powoduje
naprężenia zginające w sprężynie;



duże siły tarcia i zużycie elementów mechanizmu
zegarka;



duże naciski wywoływane przez naciągniętą sprężynę
na pozostałe elementy mechanizmu;



bardzo duża energia mechaniczna akumulowana w
sprężynie;



narażenie na wstrząsy;



narażenie na korozję atmosferyczną.

Wymagania techniczne stawiane
wyrobowi



wysoka granica sprężystości;



wysoka granica plastyczności;



wysoka wytrzymałość zmęczeniowa;



twardość, odporność na ścieranie;



odporność na korozję;



cena.



Rys. Sprężyny zegarowe.

Wymagania techniczne stawiane
wyrobowi

Dodatkowe wymagania, niebrane pod uwagę
w dalszej części:


odporność na działanie pola
magnetycznego,



odporność na wstrząsy,



masa.

Technologia wytwarzania

Dla stali sprężynowych:



zwijanie półfabrykatu w postaci taśmy walcowanej na
zimno o przekroju prostokątnym,



hartowanie;



odpuszczanie;



przeprężanie;



kulowanie (śrutowanie);



kadmowanie, oksydowanie lub cynkowanie;

Rys. Gotowa sprężyna napędowa, instalowanie w mechanizmie zegarka.

Uszkodzenia w trakcie eksploatacji,
regeneracja, recykling

Uszkodzenia:


pękanie zmęczeniowe,



pękanie doraźne.

Regeneracja i konserwacja:


nie ma możliwości regeneracji uszkodzonej sprężyny,



jedynym zabiegiem wspomagającym poprawną pracę
sprężyny jest raz na 3 lata wymiana smarów.

Recykling:


przekazanie złomu do powtórnego wykorzystania w hutach
lub zakładach przerobu materiałów zwanych walcowniami
blach.

Charakterystyka
zaproponowanych materiałów

Zaproponowane materiały:



stal sprężynowa manganowa 65G,



stal sprężynowa chromowo-wanadowa 50HF,  



stal nierdzewna 1H18N9,



brąz cynowy B6,



brąz berylowy BB2,



stal maraging H10N7K10M5Pr.

Stal sprężynowa manganowa 65G

Właściwości:



gęstość: 7,8 [g/cm^3],



wytrzymałość na rozciąganie Rm= 980 MPa,



granica plastyczności Re= 780 MPa,



wytrzymałość zmęczeniowa bardzo dobra, (Zgo= 450 MPa),



twardość 260 HB,



brak odporności na korozję, wymagane pokrycie ochronne,



niska cena,



hartowanie w temp. 840-860ºC (olej),



odpuszczanie w temp. 480-520ºC.

Stal sprężynowa
chromowo-wanadowa 50HF(50CrV4)

Właściwości:



gęstość: 7,8 [g/cm^3],



wytrzymałość na rozciąganie Rm= 1280 MPa,



granica plastyczności Re= 1080 MPa,



wytrzymałość zmęczeniowa bardzo dobra, (Zgo=600 MPa)



twardość 269 HB w stanie miękkim, 360-540 HB po obróbce



odporna na korozję,



niska cena,



hartowanie w temp. 840-860ºC (olej),



odpuszczanie w temp. 480-520ºC.

Stal nierdzewna 1H18N9
(X10CrNi18-8)

1H18N9 PN H-86020
1.4310, X10CrNI18-8 PN-EN 10088-1
Właściwości:



stal austenityczna,



niemagnetyczna,



gęstość: 7,9 [g/cm^3]



wytrzymałość na rozciąganie Rm= 500-750 MPa, po zgniocie 1080-1380
MPa



granica plastyczności Re= 220 MPa,



wytrzymałość zmęczeniowa dobra, (Zgo=240 MPa),



twardość max. 230 HB, odporna na ścieranie,



odporność na korozję bardzo dobra,



niska cena,



przesycanie 1000-1100ºC.

Brąz cynowy B6 Z6 (CuSn6 R740)

Właściwości:



stan utwardzenia: Z6- twardy,



gęstość: 8,8 [g/cm^3],



wytrzymałość na rozciąganie Rm= 740-900MPa,



granica plastyczności Re= 260- 500 MPa,



wytrzymałość zmęczeniowa średnia, (Zgo=150 MPa)



twardość max. 250 HB, odporny na ścieranie,



odporność na korozję bardzo dobra,



ujemny wpływ na cenę: koszt cyny,



wyżarzanie (rekrystalizujące 500-650ºC, ujednorodniające
650-750ºC).

Brąz berylowy BB2 (CuBe2)

%Cu- reszta
Właściwości:



gęstość: 8,36 [g/cm^3]



wytrzymałość na rozciąganie Rm= 1130 MPa, po obróbce cieplnej do
max. 1390 MPa,



granica plastyczności Re= 960 MPa, po obróbce cieplnej do 1250 MPa,



wytrzymałość zmęczeniowa dobra, (Zgo= 290 MPa)



twardość 330 HB, bardzo dobra odporność na ścieranie,



bardzo dobra odporność na korozję,



ujemny wpływ na cenę: koszt berylu,



przesycanie 720-760ºC,



starzenie 300-400ºC.

Stal maraging H10N7K10M5Pr
(X2CoCrNiMoAl10–10–7)

Właściwości:



wysokowytrzymała niskowęglowa stal martenzytyczna, utwardzana
wydzieleniowo,



gęstość: 8,0 [g/cm^3],



wytrzymałość na rozciąganie Rm= 1500 MPa,



granica plastyczności Re=1400 MPa,



wytrzymałość zmęczeniowa bardzo dobra (Zgo= 760 MPa),



twardość 400 HB po obróbce cieplnej, bardzo dobra odporność na ścieranie,



bardzo dobra odporność na korozję,



bardzo wysoka cena, 5x większa od ceny stali niskostopowych
wysokowytrzymałych,



hartowanie 800-900ºC,



odpuszczanie 450-550ºC.

Ocena właściwości
zaproponowanych materiałów

Stal

manganowa

65G

Stal

chromowo-

wanadowa

50HF

Stal

nierdzewna

1H18N9

Brąz cynowy

B6

Brąz berylowy

BB2

Stal

maraging

H10N7K10M5

Pr

Cecha

Waga

α

β

α·β

β

α·β

β

α·β

β

α·β

β

α·β

β

α·β

Wytrzymało

ść na

rozciąganie

Rm

0,19

7

1,33

9

1,71

4

0,76

6

1,14

8

1,52

10

1,9

Granica

plastycznoś

ci Re

0,19

6

1,14

8

1,52

1

0,19

3

0,57

8

1,52

10

1,9

Wytrzymało

ść

zmęczeniow

a

0,23

6

1,38

8

1,84

3

0,69

2

0,46

4

0,92

10

2,3

Twardość,

odporność

na

ścieranie

0,19

7

1,33

8

1,52

6

1,14

6

1,14

9

1,71

10

1,9

Odporność

na korozję

0,1

1

0,1

8

0,8

10

1

10

1

10

1

10

1

Cena

0,1

10

1

10

1

9

0,9

6

0,6

6

0,6

1

0,1

 ∑

1 

6,28

 

8,39

 

4,68

 

4,91

7,27

9,1

Wybór materiału

Na materiał sprężyny w zegarku mechanicznym z uprzednio
przedstawionych najlepiej prezentuje się stal maraging H10N7K10M5Pr.
Cechuje

się

ona

znakomitymi

właściwościami

wytrzymałościowymi

wymaganymi przez tego typu elementy. Ze względu na bardzo wysoki koszt
tego materiału, kilkukrotnie wyższy niż dla stali konstrukcyjnych, jej
zastosowanie jest ograniczone do dziedzin, gdzie przynosi to znaczne korzyści
ekonomiczne (p. lotniczy, okrętowy, zbrojeniowy).

Biorąc pod uwagę powyższe okoliczności, za dobry wybór można uznać stal
chromowo-wanadową 50HF. Swoimi właściwościami ustępuje stali
maraging, lecz odnosząc się do współczynnika jakość/cena wypada
zdecydowanie korzystniej.

Stal nierdzewna 1H18N9, która została sklasyfikowana na ostatnim
miejscu, jest jednym z najpopularniejszych materiałów stosowanych do
produkcji sprężyn napędowych mechanizmów w zegarkach średniej jakości.
Szczególnie często wykorzystywana jest przez jednego z europejskich liderów
w tej dziedzinie- firmę Lesjofors.

Materiały przyszłości

Rolex Syloxi i Parachrom:



Syloxi stop na bazie krzemu i kompozytów tlenku krzemu,



Parachrom stop na bazie niobu, cyrkonu i ich tlenków,



niemagnetyczny,



odporny na zmiany temperatury,



odporny na wstrząsy,



pozwala na osiągnięcie bardzo wysokiej dokładności chodu,



zwiększona rezerwa chodu do 55 h, w przypadku Syloxi.

Rys. Rolex Pearlmaster wraz z mechanizmem z materiału Syloxi. balans ze sprężyną z Parachchromu.

Literatura



Redakcja naukowa A. Barbacki, Materiały w budowie maszyn,

Poznań, wydawnictwo Politechniki Poznańskiej 2006.



Redakcja naukowa B. Branowski, Podstawy konstrukcji napędów
maszyn, wydawnictwo Politechniki Poznańskiej 2007.



Redakcja naukowa L. A. Dobrzański,
Zasady doboru materiałów inżynierskich,

Gliwice, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej 2000.



M. Blicharski, Inżynieria materiałowa stal, Warszawa, WNT 2010.



W. Podwapiński, Zegarmistrzostwo, Niepokalanów 1950.



K. Przybyłowicz, Metaloznastwo, Warszawa,

WNT 1992.



www.apart.pl, 06.05.2014.



www.chronos24.pl, 06.05.2014.



www.dostal.com.pl, 06.05.2014.



www.lesjofors.com.pl, 06.06.2014.



www.makeitfrom.com, 06.05.2014.

Dziękuję za uwagę!