原来你是这样的游丝——游丝的由来以及是怎样炼成的

在机械表当中,游丝是机械钟表运转的“心脏”。当然,在游丝还没有出现的时候,机械表是依靠钟摆作为振荡器实现能量分割和走时。后来游丝的出现,为后来怀表和腕表的出现也极有帮助。

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游丝的作用

游丝的直径很小,往往只有1厘米,但是却十分重要,游丝的结构一般是扁平状的,带有一个末端上绕曲线。你看到左右摆动的摆轮,其实是因为游丝的作用。游丝每一次的阔张收缩,都像是在画一个完美的圈,要很稳定才可以和摆轮配合,纤细的游丝确保了摆轮能够以恒定的频率来回摆动。因此,游丝如果出现瑕疵,可能会导致腕表走时不精准。游丝的材料、有效长度、厚度、宽度都对整个系统有着本质的影响。

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为了腕表走时更加趋向完美,钟表业一直在探寻更加完美的游丝材料,比如镍铬钢合金Nivarox游丝,我们很熟悉的硅游丝等等,都是我们在探寻路上的一些里程碑式的发现。

关于游丝的起源

至于游丝的起源,其实也备受争议。业内共识,是克里斯蒂安·惠更斯在1675年的时候发明了首枚带有摆轮(Balance Wheel)和游丝的机芯,但是根据之后发生的一些事情,事实似乎并非如此。

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罗伯特•胡克

2006年,罗伯特•胡克(Robert Hooke)的笔记填补了之前英国皇家学会(Royal Society)会议记录当中的一些令人困惑的空白。胡克的这个笔记我们称它为“Hooke Folio”,在里面他直接否认了之前克里斯蒂安·惠更斯发明了游丝这个说法。

1635年,罗伯特•胡克出生于英国怀特岛的弗雷斯沃特村一个教会家庭,长大后的胡克是个“学霸”,他在牛津大学学习,并且拿到了全额奖学金。但是胡克这个人其实处境相对比较尴尬,他曾经和牛顿有过冲突,这和他之后所面临的事件有着很大的关系。不得不说,胡克是一个“全才”,他提出过光的波动说,建立了弹性体变形与力成正比的定律,即胡克定律。显微镜和望远镜的功劳也是来自于胡克。从这里就可以看出来,胡克是个全面发展的科学家。那么他和克里斯蒂安·惠更斯之间的纠葛从何说起?

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后来胡克从皇家学会借用了会议纪录草稿,将缺失的会议纪录记下来。不过经过了一次教训之后,胡克并没有将纪录下来的笔记交给皇家学会的第一秘书,Henry Oldenburg。这说起来也不简单。Henry Oldenburg不仅仅是皇家学会回忆记录员,而且他还在国际科学家学会当中(international network of scientists)做外交秘书(foreign secretary )。因为这一层关系,他极有可能曾把胡克的理论给惠更斯。后来,直到2006年,胡克的这份笔记在英格兰南部汉普郡的一处房屋里面发现了,为此,英国皇家学会花了94万英镑买下这份笔记。

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上面说到,克里斯蒂安·惠更斯于1675年发明了首枚带有摆轮(Balance Wheel)和游丝的机芯。自此以往,后继者萧规曹随,腕表调速机构的变化甚小。擒纵推动摆轮,反之,受到摆轮的约束。摆轮的振动调节时间的流动:摆轮每摆动一次,齿轮系前进一定距离。它的作用,类似于时钟钟摆的作用。纤薄的盘绕游丝,确保摆轮以恒定的频率来回摆动。

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生产过程

传统的游丝由铁镍合金,如Nivarox制成,其弹性几乎不受温度的影响。Nivarox是Nicht Variabel Oxydfest(不可变,不氧化)的缩写,这种合金与瑞典诺贝尔奖得主查尔斯·埃杜德·纪尧姆发明的Invar合金(FeNi36%)属于同类。

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若想制造游丝,首先要结合高技术工业精密和手工作业,凭借超精密金属层压技术,生产出可锻造的金属片。通过连续的步骤将金属丝变成细游丝需要数天的时间。容差通常低于0.1微米(100纳米),因为游丝轮廓的细微变化都会对腕表性能产生影响。这项技术众所周知,差异之处在于满足必要精度的商业秘密。

游丝的制造过程涉及多个质量程序、质量控制、清洁和热处理等等。以下仅列出主要的生产步骤:

拉丝

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用于逐渐缩减合金线直径的金刚石模具

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多种不同的,用于拉伸游丝的金刚石模具

一切都从直径0.6毫米的铁镍合金线开始,根据所需游丝,合金线被精确拉伸至60-70微米(即0.06-0.07毫米)。然后通过多个金刚石模具(连续20次),逐渐缩小其直径以达到最终宽度。想要拉出超过1千米的合金线,大概需要两周的时间,特别是合金线越长,每次拉丝耗时越久。

小贴士:拉伸后的游丝直径相差0.3微米,作用在机芯上,其速率变化可达每天300秒。

辊压扁平

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合金线装在辊轴上

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扁平合金线的尺寸也由激光控制

在这个阶段,合金线还是圆的,然后需要将其辊成矩形条带。合金线通过精密辊轴压平,结果用激光测量。如果检测到任何差异,机器可自行校正。这是生产过程中最微妙的步骤之一,精度至关重要,因为0.1微米差异会导致机芯每天200/300秒的速率变化。

切削

接着将合金线切成规律线段,注意要比最终游丝的期望长度稍长,以便进行调整,这可能是生产过程中最简单的步骤。

卷绕/热处理

进行热处理之前,需要将其卷绕成螺旋形(通常每次4条),以确保它们维持形状,并增强其机械性能。

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游丝卷绕后用于热处理的烤炉

通过摇动盒子将它们分散开来。与所有其他操作的执行方式相比,这是一个非常传统而简单的过程,但仍然是最有效的方法。根据每条游丝的规格,使用切割工具(内切)调整内部尺寸。

分类/配对

检查摆轮和游丝,并测试其性能,以便分类(摆轮按惯性,游丝按强度)进而配对。如果需要,可以借助激光制导工具,对摆轮惯性进行调整平衡。

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焊接

激光焊接——将游丝固定在摆轮枢轴上。然后检查游丝长度,如果需要,进行切割(外切割)。

补足配平

检查并调整摆轮及游丝旋转方式,以至平衡。

塑造末端曲线

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塑造末端曲线

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带有末端曲线的游丝

末端曲线允许游丝同心扩展和收缩。由于难以精确地塑造这样的小曲线,所以这是一步非常微妙的操作。需得手工作业,以平游丝为例。采用特定工具按压游丝末端,按照具体分类样式标准,塑造末端曲线。

说了这么多,你是不是对一枚小小的游丝有了新的认识?

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