Spiralfeder und Verfahren zu deren Herstellung Das Patent betrifft eine Spiralfeder mit sehr hohem Drehmoment und mit einer flachen Drehmoment kurve, welche Feder für die Verwendung in Instrumen ten usw. ausser Uhren bestimmt ist und aus Stahl oder einer Eisenlegierung besteht und der Querschnitt der einzelnen Federwindungen flach oder gekrümmt ist. Gegenstand des Patentes ist ferner ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Spiralfeder.
Bei solchen Federn liegen die verschiedenen Win dungen aneinander an, wenn die Feder gespannt ist. Wenn dagegen die Feder entlastet ist, bewirkt die Rei bung zwischen den verschiedenen Windungen, beson ders im Anfangsstadium der Bewegung, eine beträcht liche Verminderung des Drehmomentes, und die Dreh momentkurve wird verhältnismässig steil. Um diese Nachteile zu vermindern, wird oft ein dünner Ölfilm auf die Feder aufgetragen. Das Ergebnis eines solchen Ölauftrages bewirkt eine Haftung zwischen denjenigen Windungen, welche in enger gegenseitiger Berührung stehen. Dieses verhindert eine schnelle Energieabgabe. Ein anderer Nachteil besteht darin, dass sich die Schmiereigenschaften des Öles durch Altern, d. h. Strukturänderungen des Öles, mit der Zeit verschlech tern.
Es ist auch versucht worden, verschiedene Fest schmierstoffe, sogenannte Trockenschmiermittel wie z. B. Kunststoff aus Polymerisat, zu verwenden. Auch wurde versucht, eine äusserst dünne Schicht mit einer Dicke von 1 ,u und vorzugsweise %Z ,u zu verwenden, wobei gleichzeitig die flachen Seitenflächen der Feder ganz mit dem erwähnten Überzug bedeckt werden. Auch diese Versuche haben sowohl vom herstellungs technischen als auch vom funktionellen Standpunkt aus weniger befriedigende Resultate gezeitigt.
Dementsprechend wurde schon lange die Notwen digkeit verspürt, die Eigenschaften von Spiralfedern durch Verminderung der Reibung zu verbessern und dadurch ein höheres Drehmoment oder eine flachere Drehmomentkurve zu erreichen. Die vorliegende Er findung bietet eine zufriedenstellende Lösung des vor liegenden Problems.
Es wurde durch eingehende Versuche ermittelt, dass bessere Ergebnisse erzielt werden, wenn die Federn mit einem nachstehend beschriebenen Kunststoff be schichtet werden.
Die Spiralfeder nach dem Patent ist dadurch ge kennzeichnet, dass die während des Spannens der Feder in gegenseitige Berührung gebrachte Flächen der Federwindungen eine Polyhalogenalkenschicht auf weisen, deren grösste Schichtdicke 2-15,u beträgt.
Das Verfahren zur Herstellung dieser Spiralfeder ist dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufwickeln der Feder die Flächen der Federwindungen, welche beim Spannen der Feder miteinander in Berührung kommen, mit einer Schicht aus Polyhalogenalken von 2-5 ,u Dicke versehen werden.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes dargestellt; es zeigen: Fig. 1 eine Draufsicht der montierten Spiralfeder, Fig. 2 einen Querschnitt einer Windung der Feder, Fig.3 einen Querschnitt zweier Windungen der Feder und Fig. 4 einen Querschnitt einer leicht gekrümmten Windung.
Gemäss Fig. 1 bezeichnet 1 ein Federgehäuse, 2 eine Spindel, um welche die Feder aufgewickelt ist, und 3 eine Spiralfeder in gespanntem Zustand. Gemäss Fig. 2 bezeichnet 4 die Windung einer Feder, welche aus Stahl oder einem anderen für die Federherstellung ge eignetem Material besteht. Entlang der ganzen Länge der Feder sind auf deren beiden Seiten und vorzugs weise in der Mitte Bänder 5 und 6 aus Polyhalogen alken befestigt. Die Breite der Bänder 5 und 6 ist be- trächtlich kleiner als diejenigen der Feder und liegt im Bereich von der Federbreite, obwohl die Bänder auch gleich breit sein können wie die Feder.
In gewis sen Fällen kann die Breite der Bänder zwischen 1/4 1/1o variieren.
Mit einem bandförmigen Überzug, welcher schma ler ist als die Feder, wird eine schmalere Berührungs fläche und gleichmässiger verteilte Reibung und Haf tung zwischen den Federwindungen erzielt. Es ist auch von Vorteil, dass in den Randzonen der Feder keine Beschichtung vorhanden ist, was deren Manipulation erleichtert.
Gemäss Fig.3 sind die Bänder 8 und 9 auf der Feder 7 in der Mitte dicker, was bedeutet, dass sie nach oben eine konvexe Fläche aufweisen, so dass die Kontaktfläche kleiner wird. Die Feder 10 gemäss Fig. 4 ist im Querschnitt gebogen. Die Schichten 11 und 12 können eine gleichmässige Dicke aufweisen oder kön nen, wie in Fig. 3 gezeigt, in der Mitte dicker sein.
Ein besonderer Vorteil bei der oben genannten Be schichtung stellt die Tatsache dar, dass sie vor dem Auf wickeln der Feder aufgebracht werden kann, wodurch eine kontinuierliche Behandlung der schmalen, aus breiteren Bändern ausgeschnittenen oder als Flach draht gewalzten Bändern möglich ist, im Gegensatz zu den bekannten Verfahren, nach welchen jede Feder nach dem Ausschneiden und Aufwickeln einzeln be handelt wird. Dadurch wird eine Vereinfachung des Beschichtungsvorgangs erzielt. Zudem wir die ganze Federherstellung vereinfacht, weil es der Hersteller des Federnmaterials ist, welcher eine Behandlung vorneh men muss und nicht jeder einzelne Federnfabrikant, welcher dazu auch die dazu nötigen Maschinen an kaufen muss.
Damit es möglich wird, diese Beschichtung vor dem Aufwickeln der Feder vorzunehmen, muss der Überzug aus Polyhalogenalken bestehen, weil dieses Material durch das Aufwickeln nicht beschädigt und seine physikalischen Eigenschaften durch das nachfolgende Anlassen der Feder nicht verändert werden. Dieses Material ist auch sehr alterungsbeständig, im Gegensatz z. B. von Öl. Das verwendete Polyhalogenalken kann z. B. Polyhalogenäthylen sein oder das besonders gut geeignete Polytetrafluoräthylen oder Polymonochlor- trifluoräthylen.
Damit der Überzug zufriedenstellende Ergebnisse liefert, muss seine Dicke in gewissen Grenzen liegen. Eine sehr dünne Schicht in der Grössenordnung von 1 ,u oder weniger kann nur sehr schwer gleichmässig aufgetragen werden, wodurch die Gefahr entsteht, dass gewisse Federteile nur schlecht oder gar nicht ge schmiert werden, besonders da es sich gezeigt hat, dass beim Aufwickeln und beim Anlassen der Feder eine gewisse Dickenabnahme der Schmierschichten eintritt. Eine zu dünne Schicht kann auch bei der Manipulation der Feder in Zusammenhang mit den genannten Be handlungen, beim Einsetzen der Feder in das Feder gehäuse und auch infolge der Abnützung während der Benützung der Feder beschädigt werden.
Zudem kann eine ganz dünne Schicht nur schwierig gesehen werden, so dass es schwierig ist, festzustellen, ob die Feder über haupt eine Schmierschicht aufweist oder nicht. Ander seits darf die Schicht auch nicht zu dick sein, da das Überschreiten eines gewissen Grenzwertes zusätzliche Kosten ohne Verbesserung der Schmiereigenschaften bringt. Entscheidend für die Festsetzung der oberen Grenze ist oft die Bedingung, dass die Schmierschicht nicht einen zu grossen Raum im Federgehäuse ein nehmen soll.
Es hat sich gezeigt, dass die Schmierschicht eine Dicke von 1-10 % der Federdicke haben soll. Bei Federn, welche 0,05-0,25 mm dick sind, hat sich eine Schichtdicke von 2-7,u als günstig erwiesen. In der Regel sollte die Dicke bei solchen Federn 2-4 ,u und oft sogar nur 2-3,u betragen. 2,5,u ist ein guter Mittel wert. Bei etwas grösseren Federn von 0,25-0,5 mm Dicke, welche für Filmkameras usw. bestimmt sind, kann die obere Grenze der Schichtdicke bei 15,u liegen.
Im allgemeinen wird das Beschichtungsmaterial als Wasserdispersion aufgetragen. Um die Dispersion sta bil zu halten, wird ein oberflächenaktiver Stoff ver wendet. Ein Netzmittel kann auch zugesetzt werden. Die Partikeln der Dispersion werden durch Sintern miteinander verbunden, wodurch die Schicht Festform annimmt und auf der darunterliegenden Stahlober fläche haftet. Das Sintern muss vor dem Aufwickeln der Feder stattfinden. Das Anlassen bei einer Tempe ratur von 350-500 C, welches bei gewissen Federstäben und -legierungen erforderlich ist, verschlechtert die physikalischen Eigenschaften der Schicht nicht, im Gegensatz zu Beschichtungen aus einem anderen Material wie z.
B. Molybdändisulfid und Graphit.
Seit langem ist es Sitte, Öl zum Schmieren der Federn zu verwenden. Das Öl hat in diesem Zusam menhang zwei Funktionen, nämlich die Reibung zu verhindern und als Korrosionsschutz zu dienen. Auch bei Festschmierstoffen hat sich Öl als Korrosions schutz als unentbehrlich gezeigt. Öle jedoch haben den Nachteil, dass sie altern, wodurch ihre Eigenschaften stark verschlechtert werden. Deshalb muss die Feder nach einiger Zeit gereinigt und wieder frisch geölt werden.
Unter der Voraussetzung, dass das Federmaterial in bezug auf die Arbeitsumstände der Feder genügend korrosionsfest ist, müssen keine zusätzlichen Mittel zum Schutz der Feder gegen Korrosion verwendet werden. Durch Beschichten der nichtrostenden Feder nach dem vorliegenden Verfahren ergibt sich der Vor teil, dass überhaupt kein Öl mehr verwendet werden muss. Dadurch wird die lange Lebensdauer, d. h. die hohe Dauerfestigkeit des nichtrostenden Stahles, voll ausgenützt, da das Federgehäuse nicht mehr zum Rei nigen und Ölwechsel geöffnet werden muss, so dass das Federgehäuse während der ganzen Lebensdauer der Feder geschlossen bleiben kann.
Der Vorteil des kor rosionsfesten Materials ist besonders in dem Fall klar, wo der Überzug die Form eines Bandes hat, welches schmaler ist als die Feder, da die urbeschichteten Ober flächen der Feder sonst der Korrosion unterliegen würden. Das vorliegende Verfahren ist besonders für nicht rostende Stähle geeignet, welche z. B. aus 0,07-0,20 C, 0-0,1 % N, 14-20 /p Cr, 7-12 % Ni, 0,2-2 % Si, 0,4-2 ,/o Mn, 0-4 % Mo, 0-10 ä Co und einem Rest von Eisen mit den üblichen Verunreinigungen bestehen. Die Herstellung von Federn aus diesem Stahl geht von Bändern oder Draht aus, welcher durch Kaltbearbei tung, wie z. B.
Kaltwalzen oder Kaltziehen und Kalt walzen im Querschnitt mehr als 50 % und vorzugs weise 80-95 X, verringert wird, worauf eine Wärme behandlung im Temperaturbereich von 350-500 C vorgenommen wird, in welchem Temperaturbereich, wie schon erwähnt, der Überzug keinen Schaden leidet.
Das vorliegende Verfahren bringt nicht eine Ver einfachung der Herstellung, sondern eine Verbesserung der funktionellen Eigenschaften der Feder. Alle Feder teile erhalten eine Schmierschicht von genügender Dicke, um ein zufriedenstellendes Funktionieren wäh rend der ganzen Lebensdauer der Feder zu erhalten, so dass eine absolut wartungsfreie Feder mitlanger Lebens dauer erhalten wird. Die gemäss vorliegendem Verfah ren hergestellten Federn sind durch ein hohes Dreh moment und ein gleichmässigeres Ablaufen als die be kannten Federn gekennzeichnet.
Coil spring and process for their production The patent relates to a coil spring with very high torque and a flat torque curve, which spring is intended for use in instruments, etc. except watches and is made of steel or an iron alloy and the cross section of the individual spring coils is flat or is curved. The subject of the patent is also a method for producing such a spiral spring.
In such springs, the various windings lie against each other when the spring is tensioned. If, on the other hand, the spring is relieved, the friction between the various windings, especially in the early stages of movement, causes a considerable reduction in torque, and the torque curve is relatively steep. To reduce these disadvantages, a thin film of oil is often applied to the spring. The result of such an application of oil causes adhesion between those turns that are in close contact with one another. This prevents a quick release of energy. Another disadvantage is that the lubricating properties of the oil deteriorate with aging; H. Structural changes in the oil deteriorate over time.
Attempts have also been made to use various solid lubricants, so-called dry lubricants such. B. plastic made of polymer to use. Attempts have also been made to use an extremely thin layer with a thickness of 1, u and preferably% Z, u, while at the same time completely covering the flat side surfaces of the spring with the above-mentioned coating. These attempts, too, have produced less satisfactory results from both the manufacturing and the functional standpoint.
Accordingly, the need has long been felt to improve the properties of coil springs by reducing friction and thereby to achieve a higher torque or a flatter torque curve. The present invention offers a satisfactory solution to the present problem.
It has been determined through extensive tests that better results are achieved if the springs are coated with a plastic as described below.
The spiral spring according to the patent is characterized in that the surfaces of the spring coils brought into mutual contact during the tensioning of the spring have a polyhaloalkene layer, the greatest layer thickness of which is 2-15 .mu.m.
The method for producing this spiral spring is characterized in that, before the spring is wound up, the surfaces of the spring coils which come into contact when the spring is tensioned are provided with a layer of polyhalogen alken 2-5μ thick.
In the drawing, exemplary embodiments of the subject matter of the invention are shown; 1 shows a top view of the mounted spiral spring, FIG. 2 shows a cross section of a turn of the spring, FIG. 3 shows a cross section of two turns of the spring and FIG. 4 shows a cross section of a slightly curved turn.
According to FIG. 1, 1 designates a spring housing, 2 a spindle around which the spring is wound, and 3 a spiral spring in the tensioned state. According to Fig. 2, 4 denotes the turn of a spring, which consists of steel or another ge suitable material for spring manufacture. Along the entire length of the spring straps 5 and 6 made of polyhalogen alkene are attached on both sides and preferably in the middle. The width of the bands 5 and 6 is considerably smaller than that of the spring and is in the range of the width of the spring, although the bands can also be the same width as the spring.
In certain cases, the width of the bands can vary between 1/4 1/10.
With a band-shaped cover that is narrower than the spring, a narrower contact surface and more evenly distributed friction and adhesion between the spring coils is achieved. It is also advantageous that there is no coating in the edge zones of the spring, which makes it easier to manipulate it.
According to FIG. 3, the bands 8 and 9 on the spring 7 are thicker in the middle, which means that they have a convex surface towards the top, so that the contact surface becomes smaller. The spring 10 according to FIG. 4 is bent in cross section. The layers 11 and 12 can have a uniform thickness or, as shown in FIG. 3, can be thicker in the middle.
A particular advantage of the above-mentioned coating is the fact that it can be applied before the spring is wound up, which enables continuous treatment of the narrow strips cut from wider strips or rolled as flat wire, in contrast to the known method according to which each spring is individually be treated after cutting and winding. This simplifies the coating process. In addition, the entire spring production process is simplified because it is the manufacturer of the spring material who has to carry out the treatment and not each individual spring manufacturer who also has to buy the necessary machinery.
So that it is possible to apply this coating before the spring is wound up, the coating must consist of polyhalogen alkene, because this material is not damaged by winding and its physical properties are not changed by the subsequent tempering of the spring. This material is also very resistant to aging, in contrast to z. B. of oil. The polyhaloalkene used can, for. B. polyhaloethylene or the particularly suitable polytetrafluoroethylene or polymonochloro trifluoroethylene.
In order for the coating to give satisfactory results, its thickness must be within certain limits. A very thin layer of the order of magnitude of 1 u or less can only be applied evenly with great difficulty, which creates the risk that certain spring parts are only poorly or not at all lubricated, especially since it has been shown that when winding and when When the spring is tempered a certain decrease in the thickness of the smear layers occurs. Too thin a layer can also be damaged when manipulating the spring in connection with the aforementioned treatments, when inserting the spring into the spring housing and also as a result of wear and tear during use of the spring.
In addition, a very thin layer can only be seen with difficulty, so that it is difficult to determine whether the spring has a smear layer at all or not. On the other hand, the layer must not be too thick, since exceeding a certain limit value brings additional costs without improving the lubricating properties. The decisive factor for setting the upper limit is often the condition that the smear layer should not take up too large a space in the spring housing.
It has been shown that the smear layer should have a thickness of 1-10% of the spring thickness. For springs that are 0.05-0.25 mm thick, a layer thickness of 2-7 µ has proven to be beneficial. As a rule, the thickness of such springs should be 2-4, u and often even 2-3, u. 2.5, u is worth a good mean. With somewhat larger springs of 0.25-0.5 mm thickness, which are intended for film cameras, etc., the upper limit of the layer thickness can be 15 u.
In general, the coating material is applied as a water dispersion. A surfactant is used to keep the dispersion stable. A wetting agent can also be added. The particles of the dispersion are connected to one another by sintering, whereby the layer takes on a solid form and adheres to the steel surface underneath. Sintering must take place before winding the spring. Tempering at a temperature of 350-500 C, which is necessary for certain spring bars and alloys, does not impair the physical properties of the layer, in contrast to coatings made of another material such as, for.
B. molybdenum disulfide and graphite.
It has long been the custom to use oil to lubricate springs. In this context, the oil has two functions, namely to prevent friction and to serve as protection against corrosion. Even with solid lubricants, oil has proven to be indispensable as protection against corrosion. However, oils have the disadvantage that they age, which greatly deteriorates their properties. This is why the nib has to be cleaned and re-oiled after a while.
Provided that the spring material is sufficiently corrosion-resistant in relation to the working conditions of the spring, no additional means need to be used to protect the spring against corrosion. By coating the stainless spring according to the present process, there is the advantage that no oil has to be used at all. This ensures the long service life, i.e. H. the high fatigue strength of the stainless steel, fully exploited, as the spring housing no longer has to be opened for cleaning and oil change, so that the spring housing can remain closed for the entire life of the spring.
The advantage of the corrosion-resistant material is particularly clear in the case where the coating has the shape of a band, which is narrower than the spring, since the urbeschierte upper surfaces of the spring would otherwise be subject to corrosion. The present method is particularly suitable for stainless steels which e.g. B. of 0.07-0.20 C, 0-0.1% N, 14-20 / p Cr, 7-12% Ni, 0.2-2% Si, 0.4-2% Mn , 0-4% Mo, 0-10 Co and a remainder of iron with the usual impurities. The production of springs from this steel is based on strips or wire, which device by Kaltbearbei such. B.
Cold rolling or cold drawing and cold rolling in cross section more than 50% and preferably 80-95 X, is reduced, whereupon a heat treatment in the temperature range of 350-500 C is carried out, in which temperature range, as already mentioned, the coating does not suffer any damage .
The present method does not bring about a simplification of manufacture, but rather an improvement in the functional properties of the spring. All spring parts are given a lubricating layer of sufficient thickness to function satisfactorily throughout the life of the spring, so that an absolutely maintenance-free spring with a long service life is obtained. The springs produced according to the present method are characterized by a high torque and a more even drainage than the known springs.