[發明專利]一種零長彈簧的制造方法及零長彈簧

有效

• 申請號: 201710684966.5
• 申請日: 2017-08-11
• 公開（公告）號: CN107502727B
• 公開（公告）日: 2018-12-04
• 發明（設計）人: 汪龍;鄒舟;吳鵬飛;柳林濤
• 申請（專利權）人: 中國科學院測量與地球物理研究所
• 主分類號: C21D9/02
• 分類號: C21D9/02;B21F35/00;F16F1/04
• 代理公司: 北京超凡志成知識產權代理事務所(普通合伙) 11371
• 代理人: 陳治位

本發明提供了一種零長彈簧的制造方法及零長彈簧，涉及海空重力儀領域。其中零長彈簧的制造方法包括：通過固溶強化處理工藝調整絲材的微觀組織結構，其中，絲材為恒彈性絲材；對固溶絲材進行成型處理；采用反向旋轉方式對第一彈簧施加預拉力；對第二彈簧進行回火處理。本發明提供的零長彈簧的制造方法更系統、更科學、高精度，能夠使零長彈簧的零長誤差：Δl≤1毫米，日漂移量：δ≤10^?2μ/日，剛度誤差:K≤0.01克力/毫米，克服傳統工藝無法解決的物理零長的難題。

技術領域

本發明涉及海空重力儀領域，具體而言，涉及一種零長彈簧的制造方法及零長彈簧。

背景技術

重力加速度是一個基本的物理學常數，準確測量重力加速度在地球科學、資源勘探等領域都具有重要意義。

隨著現代化科技的飛速發展，彈簧作為重要的彈性元件被廣泛的用于精密科學儀器中。但是普通的正長彈簧靈敏度低、作為動態測量敏感元件難以克服橫向加速度擾動的能力、蠕變松弛量大等缺點，限制了其在微重力測量領域的應用。而金屬零長彈簧作為微位移測量的敏感核心元件，具有結構簡單、可靠，相對尺寸小、靈敏度高等優勢，通過分析零長彈簧受重力加速度變化引起彈性變形量(直觀表現為彈簧的伸縮量)，從而可以間接的計算出重力變化。而彈簧式重力儀則是零長彈簧的典型和特殊應用，鑒于該種零長彈簧的特殊性和高精度要求，采用一般的研制工藝是難以實現，研究和探索一種特殊的、基于理論指導的、滿足儀器精度設計指標的科學工藝顯得至關重要，至少目前在我國該工藝的研究對于發展自研彈簧式海空重力儀及便攜式重力儀有重要意義，因為對于我國這樣一個有著大量勘探、軍事及科研需求的國家，不能單純的依靠進口價格昂貴的海空重力儀來滿足需求，這對我國國防建設、資源勘探和地球物理研究都有重要意義。

金屬零長彈簧是一根具有特殊預拉力且密排并圈的拉伸彈簧。像普通彈簧一樣，同樣滿足幾何尺寸與彈性特性關系：

其中：K－彈簧剛度，d－彈簧絲徑，D₂－彈簧中徑，n－有效圈數，G－剪切彈性模量。

此外，具有預拉力的彈簧，其受力與伸長之間的對應關系為：

P－P_O＝KL－KL_O

其中P為施加于彈簧的外力，P₀為預應力，L為P作用下彈簧的總長，L₀為初始長度。將(2)式改為：

P－KL＝P_O－KL_O

若Po－KLo＝0則P－KL＝0。其物理意義：若P＝0，即不施加外力時，彈簧長度為零，此時沒有初始長度。這是一種理想，實際上彈簧總是有一定長度，根據重力儀的精度要求其零長誤差小于1mm。

因此，零長彈簧就是能同時滿足彈簧特性關系及力與變形關系的拉伸彈簧，也即其彈性特性關系線通過坐標原點。

由于海空重力儀設計對零長彈簧提出了0.1微米/毫伽(1微伽＝10－6伽，1伽＝1cm/s－2)，Δl≤1毫米，日漂移量：δ≤10^-2μ/日，剛度誤差:K≤0.01克力/毫米，因此對加工工藝的高要求也使得眾多研究者望而卻步。國內僅有的研究也限于國家地震局地震研究所陳志遠等人于1990年前后，研究用于其研制的DZW型靜態臺站式重力儀的等效零長彈簧(本質為負長彈簧，兩端連接拉絲等效為零長狀態，非真正意義上的零長彈簧)，其研制工藝中采用的彈簧材料是高彈模量的彈性合金(代號為3J53)，該合金材料的彈性模量溫度系數較窄，限制了重力儀使用的環境溫度，顯然這是動態海空重力儀所不能容忍的。同時其翻簧工藝后得到的彈簧是負長彈簧，不具有克服橫向擾動的能力(橫向擾動加速度會引起彈簧偏離垂向位置一定角度，造成垂直方向的長度改變，從而引入重力測量誤差，該誤差遠大于海空重力儀1毫伽的精度設計)，因此也無法在動態重力儀及便攜式重力儀中得到實際應用。

發明內容