Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umformung einer Feder, insbesondere einer Spiralfeder für ein mechanisches Uhrwerk, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, eine nach diesem Verfahren umgeformte Feder und ein Uhrwerk umfassend eine solche Feder.

Es ist bekannt, spiralförmige Biegefedern für mechanische Uhrwerke durch Umformverfahren abschnittsweise mit einer bestimmten Kurvenform zu versehen. Die EP 0 911 707 lehrt, dass eine durch Wärmebehandlung fixierte Rohspirale mit einer durch eine Kaltdeformation der Aussenwindung der Spirale eingebrachten Endkurve versehen werden kann. Hierzu werden mit einem Werkzeug Knicke in den Verlauf der zu verformenden Aussenwindung der Spirale eingebogen, sodass sich der Windungsabstand zwischen den äussersten Gängen im Bereich der Endkurve vergrössert. Der derart kaltverformte Abschnitt wird dann durch eine thermische Nachbehandlung von inneren Spannungen befreit. Dieses Verfahren ist zeitaufwändig

Ähnliche Verfahren zur Umformung von Spiralfedern sind in den Dokumenten CH 706 233 A2 und US 5 907 524 A offenbart.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Umformung einer mechanischen Feder, insbesondere einer Spiralfeder für ein Uhrwerk, vorzugsweise zum Herstellen einer Endkurve, anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Hierbei liegt die erste Temperatur T₁ im Halbwarmumformungsbereich zumindest des Materials des Biegeabschnitts. Der Halbwarmumformungsbereich schliesst sich kaltseitig an den Warmumformungsbereich an. T₁ ist also mindestens so hoch wie die materialabhängige Restaurationstemperatur. Eine typische Halbwarmumformungstemperatur T₁ für gebräuchliche Spiralfedern ist bspw. 300°C bis 500°C. T₁ liegt also über der Raumtemperatur von 20°C und unterhalb der Rekristallisationstemperatur T_RK des Materials des Biegeabschnitts. T₁ liegt vorzugsweise bei über 100°C, das Material ist also angewärmt, und/oder T₁ liegt in einem Bereich von 30% der Rekristallisationstemperatur T_RK in °C des Materials des Biegeabschnitts bis zu dieser Rekristallisationstemperatur T_RK in °C, vorzugsweise in einem Bereich von 50% dieser Rekristallisationstemperatur T_RK in °C bis zu 90% dieser Rekristallisationstemperatur T_RK in °C. Nachfolgend ein erläuterndes Berechnungsbeispiel: 50% von (T_RK=1000°C) ist: 500°C.

Besonders bevorzugt ist, wenn die Temperatur T₁ bei 50% bis 70%, insbesondere bei etwa 60% bis 65% von T_RK in °C liegt.

Die "Rekristallisationstemperatur T_RK" ist eine materialabhängige Temperatur, beträgt für gebräuchliche Spiralen etwa 900°C bis 1100°C und kann bspw. durch Messung der Temperaturabhängigkeit des relativen elektrischen Widerstands oder der Wärmekapazität bestimmt werden. Zur groben Bestimmung von T_RK gilt: T_RK ist 40% bis 50% der Schmelztemperatur des Materials in °C.

Vorzugsweise wird die Halbwarmumformung des Biegeabschnitts zwecks Einbringens einer vorbestimmten Kurvenform in den Kurvenabschnitt durchgeführt, während der Biegeabschnitt auf der Temperatur T₁ gehalten ist. Vorzugsweise wird die Temperatur T₁ während 0.1 Sekunde bis 100 Sekunden, vorzugsweise während 0.5 Sekunden bis 30 Sekunden, insbesondere während 0.5 Sekunden bis 5 Sekunden konstant gehalten.

Es ist auch denkbar, dass nach dem Erreichen einer bestimmten Temperatur T₁ die Energiezufuhr in den Biegeabschnitt erhöht, verringert oder unterbrochen wird.

Die Halbwarmumformung bewirkt, dass keine oder weniger innere Spannungen und/oder keiner oder weniger unerwünschte magnetische Eigenschaften in den verformten Abschnitt, d.h. den Biegeabschnitt, eingebracht werden, als durch die Kaltumformung eingebracht werden würden und im Stand der Technik durch nachgelagertes Temperieren beseitigt werden.

Eine typische Erwärmung kann bspw. innerhalb von 1 Sekunde bis 10 Sekunden, insbesondere innerhalb von 2 Sekunden geschehen. Je nach Material kann die Energiezufuhr, bspw. die Bestromung, entsprechend angepasst sein. Auch eine Abkühlung nach der Erwärmung kann kontrolliert geschehen, bspw. indem die Energiezufuhr kontrolliert verkleinert wird.

Bei einem typischen Material, welches für gebräuchliche Spiralfedern verwendet wird, bspw. PE 4000 mit folgender Massenprozentverteilung: 38%-40% Nickel, 7%-8.5% Chrom, <1% Beryllium, <1% Titan, <1% Mangan, < 1% Silizium, wobei ein Massenprozentanteil der Teile von Beryllium, Titan, Mangan und Silizium zusammen zwischen 0% und 2% liegt, und der Rest aus Eisen besteht, ist T₁ im Bereich von 300°C bis 750°C, insbesondere im Bereich von 550°C bis 700°C oder im Bereich von 550°C bis 650°C, und vorzugsweise bei 600°C bis 620°C.

Vorzugsweise wird die Feder oder der Kurvenabschnitt oder der Biegeabschnitt in Schritt ii) nur während 0.1 Sekunde bis 60 Sekunden, vorzugsweise nur während 0.5 Sekunde bis 10 Sekunden, vorzugsweise nur während 0.5 Sekunden bis 5 Sekunden und insbesondere nur während 0.5 Sekunden bis 3 Sekunden oder während 1 bis 2 Sekunden auf der ersten Temperatur T₁ gehalten und dann abgekühlt.

T₁ ist vorzugsweise, je nach Material und Federdimensionen, so hoch gewählt, dass die erwünschten Effekte, insbesondere eine Verminderung von durch die Umformung eingebrachten magnetischen Effekten bzw. eine Restaurierung oder Entspannung des Materials, innerhalb des gewählten Zeitintervalls auftritt. Die Restaurationszeit bei T₁ ist vorteilhafterweise so kurz, dass ein Minimum an oder keine Zunderbildung bzw. Präzipitation von intermetallischen Partikeln auftritt. Überdies kann so vermieden werden, dass das Material der Feder zu weich wird. Zudem sind kurze Zeiten auch vorteilhaft, insofern als ein effizientes Umformverfahren möglich ist.

Es können hier auch paramagnetische Legierungen wie bspw. Nb-Ti-Legierungen verwendet werden. Vorzugsweise ist das Material des Biegeabschnitts oder des Kurvenabschnitts eine Nickel-Eisen-Legierung und/oder die erste Temperatur T₁ im Bereich von 300°C bis 750°C, vorzugsweise im Bereich von 450°C bis 700°C, bevorzugt im Bereich von 550°C bis 650°C, besonders bevorzugt im Bereich von 600°C bis 620°C, und insbesondere bei 610°C. Der Biegeabschnitt bzw. der Kurvenabschnitt wird also vor, während oder nach dem Bewegungsschritt, welcher den Abschnitt aus der Ausgangslage in die gewünschte Endlage bringt, auf die Temperatur T₁ erwärmt.

Der Bewegungsschritt kann ein Umformschritt im Sinne einer Halbwarmumformung sein oder aber eine bei Temperaturen unter T₁ einsetzende Verformung oder Deformation sein, wobei nach oder während letzterem der Biegeabschnitt erwärmt wird, bis er T₁ erreicht, und dann, nach der Bewegung, dort gehalten wird, bis sich die aufgebauten inneren Spannungen im gebogenen Material abgebaut haben und eine dauerhafte Umformung vollzogen ist.

Zwischen der Erwärmung bzw. der Halbwarmformung kann vorgesehen sein, dass die Temperatur durch fortgesetzte konstante Energiezufuhr stabil gehalten wird. Die Erwärmung kann auch nach der Halbwarmumformung fortgesetzt werden, um dem Material noch mehr Zeit zur Relaxation zu geben. Es ist also möglich, dass während einer Periode von 1 Minute bis 3 Stunden nach der Umformung die Temperatur konstant auf T₁ gehalten wird.

Es ist auch denkbar, dass die Temperatur des Biegeabschnitts nach dem Erreichen von T₁ nicht stabilisiert wird, sondern dass man nach Erreichen von T₁ rasch die Umformung vornimmt, während die erwärmten Bereiche bspw. des Spiralbandes von selbst auskühlen, jedoch so, dass die Temperatur bei der Umformung noch derart hoch ist, dass eine Halbwarmumformung im Sinne der vorliegenden Erfindung stattfindet, also eine bleibend verformte Feder resultiert. Es ist hierbei auch möglich, die Erwärmung derart stark über eine minimale Umformungstemperatur zur Halbwarmumformung im Sinne der vorliegenden Erfindung vorzusehen, dass eine solche Abkühlung während der Vorbereitung zur Umformung gezielt ins den Prozess miteinbezogen ist und man so sicherstellt, dass das Material bei der Umformung derart warm ist, dass eine Halbwarmumformung im Sinne der vorliegenden Erfindung stattfindet.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass eine von unerwünschten inneren Spannungen und/oder von magnetischen Effekten befreite Kurvenform statt bisher über zwei einzelne Arbeitsschritte (Kaltumformschritt und nachgeschalteter Wärmebehandlungsschritt zur Relaxation des Materials) mittels einer Halbwarmumformung oder einer Erwärmung des Biegeabschnitts auf T₁ während des Umformschritts in eine Feder, insbesondere in eine Rohspirale, einformbar ist. Der Umformschritt umfasst die Halbwarmumformung oder die bei einer Temperatur unterhalb von T₁ stattfindende Deformation als Bewegungsschritt und die nachträgliche Wärmebehandlung bei der Temperatur T₁.

Durch das erfindungsgemässe Verfahren wird der Aufbau von solchen inneren Spannungen bzw. unerwünschten Magnetischen Eigenschaften weitgehend verhindert.

Vorzugsweise ist die Feder eine Spiralfeder. Unter dem Begriff "Spiralfeder" ist eine aus einem Spiralfederband gewundene Biegefeder, insbesondere eine Unruhspiralfeder, gemeint. Die Spiralfeder kann sich in einer Ebene (z.B. Flachspirale) oder in mehreren, entlang der Achse der Spirale versetzten Ebenen (z.B. eine Breguet-Spirale oder eine zylindrische Spiralfeder) erstrecken. Sie ist bspw. als Teil des Schwingsystems eines mechanischen Uhrwerks verwendbar. Es ist auch denkbar, dass man dieses Verfahren für die Umformung von anderen mechanischen Federn einsetzt.

Die Spiralfedern können bezüglich ihrer Grösse in "CGS"-Klassen eingeteilt werden. Die CGS-Nummer einer Spirale kann wie folgt berechnet werden: $$\mathrm{CGS}=\mathrm{C}\cdot \left({\mathrm{D}}^2-{\mathrm{d}}^2\right)\left[\mathrm{in}:\mathrm{dyn}\cdot {\mathrm{cm}}^3\right],$$ wobei

D:

äusserer Durchmesser der Spiralfeder [in: mm],

d:

innerer Durchmesser der Spiralfeder [in: mm]; und

C:

C = (E · h · e³)/(12 · 1) [in: dyn · cm] mit

• E: Elastizitätsmodul der Spiralfeder [in: N/mm²];
• h: Höhe des Spiralfederbands [in: mm];
• e: Dicke des Spiralfederbands [in: mm]; und
• l: Länge des Spiralbandes [in: mm].

Unter dem Begriff "Umformung" ist eine fertigungstechnische Verformung eines Werkstücks gemeint, wobei durch Einbringen eines Biegemoments in den umzuformenden Materialabschnitt in Kombination mit einer Erwärmung eine plastische und dauerhafte Verformung dieses Abschnitts erzeugt wird.

Durch "Kaltumformung" bei Temperaturen im Bereich der Raumtemperatur, also um 20°C, werden Störungen in das Kristallgitter eingebracht, woraus unerwünschte innere Spannungen im Material resultieren. Diese Spannungen können durch eine nachträgliche Wärmebehandlung des gestörten Materialgefüges geheilt werden. Diese Erwärmung erzeugt einen Relaxation und Restaurierung der inneren Struktur (Relaxationsglühen).

Unter dem Begriff "Warmumformung" ist eine Umformung eines Abschnitts der des Werkstücks gemeint, wobei der umzuformende Abschnitt während des Umformungsprozesses bei einer Temperatur oberhalb der Rekristallisationstemperatur des Materials dieses Abschnitts liegt. Da die Rekristallisation ein thermisch aktivierter Prozess ist, welcher durch eine Arrhenius-Gleichung beschreibbar ist, findet der Abbau von inneren Spannungen auch schon unterhalb der kritischen Temperatur, der Rekristallisationstemperatur T_RK, statt.

Gemäss dem erfindungsgemässen Verfahren kann nun der umzuformende Abschnitt vor der Verformung auf die erste Temperatur T₁ erwärmt werden. Alternativ kann der Biegeabschnitt elastisch deformiert werden, sodass er die gewünschte Endform einnimmt und danach auf die erste Temperatur T₁ erwärmt werden. Eine weitere Möglichkeit ist, dass die Bewegung in die Endform und die Erwärmung auf T₁ parallel durchgeführt werden, wobei die beiden Prozesse nicht zwingend gleich lange dauern müssen.

Typischen Verarbeitungszeiten der Halbwarmumformung bzw. der Deformation betragen 0.1 Sekunden bis 100 Sekunden, insbesondere 0.5 Sekunden bis 5 Sekunden. Typische Zeiten der Erwärmung auf T₁ betragen etwa 0.1 Sekunde bis 100 Sekunden, insbesondere etwa 2 Sekunden bis 5 Sekunden. Dies hängt vom Querschnitt bzw. der Materialmenge, der Materialzusammensetzung und der entsprechenden Energiezufuhr ab.

Bei der erfindungsgemässen Umformung treten weniger magnetische und/oder strukturelle Störungen als bei der Kaltumformung auf, da sich das Material bereits während und auch nach dem Umformschritt, also während des Auskühlens, erholt (bzw. restauriert). Überdies sind geringere Kräfte für die erfindungsgemässe Umformung aufzuwenden als für der Kaltumformung des gleichen Materials. Weiter ist mit dem erfindungsgemässen Verfahren eine genauere Umformung als bei der Warmverformung möglich, da das Material weniger weich ist.

Der Kurvenabschnitt ist vorzugsweise ein Abschnitt der Spiralfeder, also ein Teil des Spiralbandes, vorzugsweise eine äussere Endkurve der Spiralfeder. Der Kurvenabschnitt ist der Abschnitt, welcher durch die Umformung bezüglich des Spiralenmittelpunkts bewegt wird. Der Biegeabschnitt ist der Abschnitt des Kurvenabschnitts, welcher plastisch umgeformt wird. Der Biegeabschnitt kann sich über den gesamten Kurvenabschnitt erstrecken oder nur einen Teil des Kurvenabschnitts ausmachen. Es können auch mehrere gleiche oder unterschiedliche Biegeabschnitte im Kurvenabschnitt angeordnet sein.

Bevorzugt ist, wenn die Feder eine Spiralfeder ist und der Kurvenabschnitt eine Endkurve der Spiralfeder ist. So kann bspw. eine flache Endkurve in eine Flachspiralfeder eingeformt werden. Es kann auch eine Breguet-Spirale geformt werden, indem der Biegeabschnitt eine Überleitung des Spiralbandes von einer Ebene der Spiralfeder zu einer axial versetzten Ebene ausbildet. Der Kurvenabschnitt kann also auch einen Höhenknick auf weisen.

Der Schritt des Abkühlens kann passiv durch auskühlen lassen auf Raumtemperatur oder aber aktiv durch bekannte Verfahren zur Wärmeableitung vorgenommen werden.

In einer Weiterbildung des Verfahrens wird die Feder vor Schritt i) mit einer weiteren Wärmebehandlung behandelt.

Im Falle einer Fe-Ni-Legierung kann bspw. während etwa 60 Minuten bis 180 Minuten, insbesondere während 120 Minuten, bei einer Fixierungstemperatur fixiert, welche höher als T₁, vorzugsweise auch höher als T_RK ist und je nach Material bspw. im Bereich von 550°C bis 700°C, insbesondere von 610°C bis 640°C, oder bei 620°C liegt. Diese Fixierung wird vorzugsweise aber nicht notwendigerweise unter Vakuum oder Schutzatmosphäre aus bspw. Argon und/oder Stickstoff bei einem Druck von weniger als 10 bar durchgeführt. Damit werden allfällige innere Spannungen, welche vor der erfindungsgemässen Umformung eines Kurvenabschnitts bestehen, aus dem Materialgefüge entfernt.

Die Umformung nach der vorliegenden Erfindung kann, muss aber nicht unter Vakuum oder Schutzatmosphäre aus bspw. Argon und/oder Stickstoff bei einem Druck von weniger als 10 bar vorgenommen werden.

Der Biegeabschnitt, vorzugsweise der ganze Kurvenabschnitt bzw. die ganze Feder, kann nach Schritt iii) einer weiteren Wärmebehandlung unterzogen werden, bei welcher der Biegeabschnitt, vorzugsweise der ganze Kurvenabschnitt oder die ganze Feder, während1 bis 24 Stunden auf vorzugsweise 200°C bis 400°C, insbesondere auf 300°C, gehalten wird.

Der Kurvenabschnitt kann gleich lang wie oder weniger lang als zwei Windungen, und vorzugsweise zwischen einer Viertel- und einer halben Windung, vorzugsweise einer äusseren, insbesondere äussersten, Windung der Spiralfeder sein.

Um den Kurvenabschnitt für die Bewegung, d.h. für die Halbwarmumformung oder die bei einer Temperatur unterhalb von T₁ stattfindende Deformation, zu fixieren, kann dieser mindestens einen ersten und zweiten Greifabschnitt aufweisen. Diese Greifabschnitte werden dann jeweils festgestellt. Vorzugsweise werden diese Greifabschnitte jeweils in ein Halteelement eingebracht, wobei bei der Halbwarmverformung mindestens eines der Halteelemente bewegt wird, um die Umformung des Biegeabschnitts zu bewirken. Die Feststellung der Greifabschnitte in den Halteelementen kann durch Formschluss oder Klemmung stattfinden. Prinzipiell ist eine Feststellung entlang des Spiralbandes nicht notwendig, kann jedoch durch Klemmung mittels der Halteelemente realisiert werden. Die Feststellung in radialer Richtung, also von der Achse der Spirale weg, kann durch einen Formschluss, bspw. durch Einlegen in einen Schlitz oder auch durch Klemmung, bewerkstelligt werden.

Die Halteelemente weisen vorzugsweise eine Ausnehmung, insbesondere einen Schlitz oder ein Durchgangsloch, zum Einbringen der Greifabschnitte auf. Vorzugsweise ist sowohl eine räumliche Lage als auch eine Drehposition bezüglich mindestens einer, vorzugsweise aller drei jeweils senkrecht zueinander stehenden Raumachsen regelbar.

Besonders bevorzugt werden Haltelemente, welche als Stifte ausgebildet sind. Diese Stifte können durch Wärmeleitung und/oder zur Bestromung geeignet sein. Diese Stifte können auf einer die Bewegung verursachenden Vorrichtung festgestellt sein und ein freies Ende mit dem Schlitz oder dem Durchgangsloch aufweisen. Es ist auch denkbar, dass ein Halteelement durch einen Stift und ein anderes Halteelement durch ein Werkzeug bereitgestellt ist.

Vorzugsweise sind die Halteelemente elektrische leitend und in elektrischem Kontakt mit der vorzugsweise elektrisch leitenden Feder. So kann über die Halteelemente die Bestromung stattfinden, ohne dass zusätzliche Kontakte angebracht werden müssen. Zudem ist sichergestellt, dass der Strom durch den entsprechenden Bestromungsabschnitt der Feder geführt ist. Überdies kann die Erwärmung vorzugsweise direkt durch elektrische oder auch thermische Leitung über diese Halteelemente im Spiralband erzeugt werden.

Die Bewegung des mindestens einen Halteelements kann durch eine Änderung einer Drehposition des Halteelements bewirkt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Bewegung durch eine Verschiebung des Halteelements in und/oder parallel zu einer Ebene der Feder und/oder nach ausserhalb der Ebene der Feder gekennzeichnet sein.

Je nach gewünschter Kurvenform können also zwei Halteelemente vorgesehen sein, wobei eines oder beide Haltelemente zur Verformung bewegt werden. Diese Bewegung kann eine räumliche Verschiebung oder Drehung um eine beliebige Achse oder eine Mehrzahl von Drehungen um verschiedene Achsen sein. Die Bewegung kann auch eine Überlagerung von mehreren solchen Bewegungen sein. Das Vorsehen von solchen Halteelementen ist vorteilhaft, weil so durch einen Bewegungsschritt die Kurvenform geformt wird; es muss nicht an zwei Stellen zeitlich verschoben ein Knick mit einem Werkzeug vorgenommen werden, wie es im Stand der Technik bspw. beim Einformen einer flachen Endkurve geschieht, sondern es wird einfach mindestens eines der Halteelemente so bewegt, dass die Kurvenform nach Abschluss dieser Bewegung eingebracht ist.

Es können weitere bewegliche oder unbewegliche Halteelemente vorgesehen sein, um die die Umformung erzeugende Bewegung der Klinge zu führen. Es ist möglich, mehr als zwei Halteelemente vorzusehen, wobei eines, zwei, drei oder alle bewegt, oder einige bewegt und die anderen nicht bewegt werden. So können bspw. zwei äussere von drei vorgesehenen Halteelemente verschoben und vorzugsweise zusätzlich verdreht werden, während das dritte, sich zwischen den beiden äusseren Halteelementen befindliche Halteelement nicht bewegt wird und die Bewegung der sich in der Umformung befindlichen Spirale stabilisieren.

Vorzugsweise sind dann mittlere Halteelemente elektrisch isolierend und wärmeisolierend bereitgestellt, sodass kein Spannungs- oder Temperaturabfall aufgrund der mittleren Halteelemente auftritt.

Überdies ist denkbar, dass die Halteelemente nicht bewegt werden, sondern dass die Deformation durch das Einspannen der Feder in den vorpositionierten Halteelementen zustande kommt.

Die Halteelemente können den jeweiligen Greifabschnitt unter einer vordefinierten Drehposition bezüglich einer Achse quer zur Längserstreckung des Greifabschnitts entlang der Feder aufnehmen. Bspw. kann der Greifabschnitt ohne zusätzliche Biegung der Feder aufgenommen werden. Es ist auch denkbar, dass die Ausrichtung des im Wesentlichen geraden Durchgangslochs oder Schlitzes winklig zum Längsverlauf des Greifabschnitts steht und das Spiralband in das Durchgangsloch oder den Schlitz gebogen werden muss.

Vorzugsweise wird die Erwärmung auf die erste Temperatur T₁ durch elektrische Bestromung des Biegeabschnitts, insbesondere des Kurvenabschnitts, erzeugt. Alternative Erwärmungsverfahren wären bspw. Bestrahlung mit elektromagnetischer Strahlung oder ein Kontaktwärmeübertrag. Der Stromfluss erzeugt aufgrund des Materialwiderstands die entsprechende Erwärmung. Die Bestromung mittels von Gleich- oder Wechselstrom geschehen. Gleichstrom wird bevorzugt. Hierzu sind die Halteelemente elektrisch leitend ausgebildet, wobei eine elektrische Spannung über zumindest eines, vorzugsweise zumindest zwei der Halteelemente angelegt wird. Eine Stromstärke kann im Bereich von 0.001 Ampere und 10 Ampere, vorzugsweise im Bereich von 0.01 Ampere bis 1 Ampere und eine Spannung, vorzugsweise eine Gleichspannung, im Bereich von 0.1 Volt bis 25 Volt, insbesondere im Bereich von 1 Volt bis 10 Volt liegen.

Es kann auch eine gleichwirkende, materialabhängige Wechselspannung zur Energiezufuhr zwecks Erwärmung auf T₁ an den Bestromungsabschnitt angelegt werden.

Die Feder kann einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt mit einer Langseite von 50 Mikrometer bis 400 Mikrometer, insbesondere von 150 Mikrometer, und eine Kurzseite von 10 Mikrometer bis 60 Mikrometer, insbesondere zwischen 20 Mikrometer und 45 Mikrometer, oder 30 Mikrometer aufweisen. Grundsätzlich kann die Feder einen beliebigen Querschnitt aufweisen.

Anstatt mit Halteelementen wie oben beschrieben zu arbeiten, kann der Verformungsschritt der Halbwarmumformung oder der bei einer Temperatur unterhalb von T₁ stattfindenden Deformation auch mittels eines Formwerkzeugs mit zwei relativ zueinander beweglichen Pressbacken durchgeführt werden. Diese Pressbacken wirken komplementär zueinander. Es kann sein, dass nur eine oder beide Backen bewegt werden. Die Backen können konvex-konkave und/oder mit Ausnehmungen und Vorsprüngen versehen sein.

Zudem wird durch die Erfindung eine Feder, insbesondere eine Spiralfeder bzw. ein Uhrwerk mit einer Spiralfeder bereitgestellt.

Die vorliegende Erfindung macht die Einformung einer gewünschten Kurvenform in einen Kurvenabschnitt einer Feder also effizienter, da kein nachgeschaltetes Temperieren mehr notwendig ist.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand die Zeichnungen beschrieben, die lediglich zur Erläuterung dienen und nicht einschränkend auszulegen sind. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1

einen Kurvenabschnitt einer Spirale, welcher in zwei Stifte eingespannt ist und in einer Ausgangslage und einer durch erfindungsgemässe Umformung erreichten Endlage dargestellt ist;

Fig. 2

eine alternative Ausgestaltung der Stifte zur Ausführung der erfindungsgemässen Umformung;

Fig. 3

die Situation nach Fig. 1, wobei die Stifte anders bewegt werden, sodass der Kurvenabschnitt eine andere Endlage einnimmt.;

Fig. 4

die Situation nach Fig. 1, wobei ein weiterer Stift zum Einnehmen einer komplexeren Endlage des Kurvenabschnitts vorgesehen ist;

Fig. 5

eine alternative Umformung mit einem Formwerkzeug mit zwei Pressbacken;

Fig. 6

die alternative Umformung nach Fig. 5 mit einem anderen Formwerkzeug; und

Fig. 7

die alternative Umformung nach Fig. 5 mit einem abermals anderen Formwerkzeug.

Figur 1 zeigt einen Ausschnitt einer aus einem Spiralband bestehenden Klinge 10, welche zu einer Spiralfeder 1 gebogen ist. Es sind die unverformte, also in Ausgangslage liegende Klinge 10a und die verformte, also in Endlage liegende Klinge 10 zu sehen. Fortan wird lediglich auf die Klinge 10 verwiesen, aus dem Kontext ist klar, ob diese die verformte oder die unverformte ist. Die Klinge 10 weist eine rechteckige Querschnittsform mit einer Langseite von etwa 150 Mikrometer und einer Kurzseite von etwa 20 Mikrometer bis 45 Mikrometer, insbesondere 30 Mikrometer auf. Figur 1 zeigt eine Draufsicht auf die Kurzseite der Klinge 10.

In der Ausgangslage folgt die unverformte Klinge 10 einer durchwegs konvex gebogenen Kurve und ist zwischen zwei Stiften 21, 22, welche als Halteelemente wirken, eingespannt. Diese Stifte 21, 22 weisen jeweils einen Schlitz 210, 220 auf. Die Stifte 21, 22 mit den Schlitzen 210, 220 sind derart dimensioniert, dass die unverformte Klinge 10 in diese Schlitze 210, 220 eingelegt werden kann. Die Stifte 21, 22 weisen eine kreisförmigen Querschnitt auf, wobei ein Radius dieses Kreises das 3- bis 20-Fache der Länge der Kurzseite der Klinge 10 beträgt. Eine Tiefe des Schlitzes 210, 220 in Richtung einer Achse des jeweiligen Stiftes 21 bzw. 22 beträgt das 0.5- bis 10-Fache der Länge der Langseite der Klinge 10. Eine Schlitzbreite kann zwischen dem 2- bis 5-Fachen der Kurzseite der Kline 10 betragen. Es können auch andere Stiftquerschnitte (Vieleck, Ellipse, ...) oder Schlitzdimensionen vorgesehen sein.

Funktionell soll der Schlitz 210, 220 derart dimensioniert sein, dass die Klinge 10 in den Schlitz 210, 220 einlegbar und durch Bewegung mindestens eines der Stifte 21, 22 erfindungsgemäss umformbar ist.

In einer Weiterbildung können die Schlitze 210, 220 die Klinge 10 leicht klemmen. Hierzu kann auch eine Klemmfeder oder eine Klemmschraube, vorzugsweise jedoch eine Klemmvorrichtung mit einer Klemmzange oder ein anderes Klemmmittel vorgesehen sein (nicht dargestellt).

Nach Fig. 1 ist die Ausrichtung der geraden Schlitze 210, 220, d.h. die Drehposition der Stifte 21, 22 bezüglich der Stiftachse, tangential an den Kurvenverlauf der unverformten Klinge 10 in Ausgangslange angepasst. Die Schlitze 210, 220 verlaufen also senkrecht zur Achse der Stifte 21, 22. Gemäss dem erfindungsgemässem Verfahren wird nun ein Verformung in den Kurvenabschnitt 100 zwischen den beiden Stiften 21, 22 eingebracht, indem man Abschnitte des Kurvenabschnitts, d.h. die Biegeabschnitte 1000, verbiegt, um einen Gangabstand der Spiralfeder 1 abschnittsweise zu verändern oder um das Spiralband auf eine andere, bezüglich einer Achse der Spiralfeder 1 versetzte Ebene zu führen.

Hierzu wird die Klinge 10 zuerst auf eine erste Temperatur T₁ erwärmt. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Temperatur T zumindest im Biegebereich 1000 des Kurvenabschnitts 100 durch Stromeinleitung in die elektrisch leitende Spiralfeder 1 erhöht. Hierzu wird über dem Kurvenabschnitt 100 eine elektrische Spannung angelegt. Vorzugsweise sind die Stifte 21, 22, welche den Kurvenabschnitt 100 begrenzen und feststellen, elektrisch leitend, wobei die Spannung dann direkt über die Stifte 21, 22 an die Klinge 10 angelegt wird, worauf ein Strom fliesst, welcher auf Grund des elektrischen Widerstands der Leiters die Klinge 10 erwärmt.

Die lokale Erwärmung kann auch durch andere, herkömmliche Methoden wie Beflammung oder durch Kontaktwärme erzeugt werden.

Die Temperatur T des Biegeabschnitts 1000 wird lokal auf die erste Temperatur T₁ gebracht. Besonders bevorzugt wird, wenn die Klinge 10 abschnittsweise derart stark erwärmt wird, dass sie braun-rot zu glühen beginnt. Vorzugsweise wird die Klinge 10 nicht über 500°C bis 600°C geheizt, damit sie nicht zu weich wird.

Sobald die erste Temperatur T₁ erreicht ist, wird die Kurvenform durch Bewegung mindestens eines der Stifte 21, 22, nach Fig. 1 durch Bewegung des zweiten Stifts 22 entlang der Bewegungslinie 6 in Richtung des Pfeiles 5, eingeformt. Hierbei wird der Stift 22, je nach gewünschter Form, verdreht und/oder verschoben, womit die Klinge 10 aus der Ausgangslage in die gewünschte Endlage überführt wird. Nach Fig. 1 findet die Verschiebung in einer Ebene nach aussen statt, die Drehung beträgt etwa 20 Grad im Gegenuhrzeigersinn.

Durch die erhöhte Duktilität des erwärmten Spiralbandes sind bei dieser Art der Halbwarmumformung geringere Umformungskräfte als bei der Kaltverformung notwendig. Da es sich hierbei um eine Halbwarmumformung mit einer Materialtemperatur von T₁, wie oben beschrieben. Es ist dann an dieser Stelle nicht mehr nötig, materialinterne Spannungen oder unerwünschte magnetische Eigenschaften aufgrund der Verformung durch nachträgliche Wärmebehandlung zu beseitigen, da das erfindungsgemässe Verfahren keine oder weniger solcher unerwünschten Effekte aufscheinen lässt, als eine Kaltverformung im umgeformten Material. Die Bestromung kann hierbei bis unmittelbar vor der Bewegung des mindestens einen Stifts 21, 22 oder auch bis zum Abschluss dieser Bewegung oder länger durchgeführt werden. Dies kann von Material und Geometrie der Spiralfeder 1 abhängen.

Es ist auch denkbar, dass die Halteelemente bereits vor Einspannung der Feder derart positioniert sind, dass sie die Feder in der gewünschten Endlage halten, wobei die Feder dann beim Einspannen deformiert wird. Danach wird, wie oben beschrieben, auf T₁ erwärmt.

Experimentell wurde festgestellt, dass für eine Spiralfeder 1 mit einer CGS-Nummer von 0.45 eine Stromstärke von I = 0.1 Ampere bei einer Spannung von ungefähr U = 0.9 Volt die erforderliche Erwärmung zur Umformung ergeben. Bei einer Spiralfeder 1 mit einem CGS-Wert von 7.5 hat sich herausgestellt, dass eine Stromstärke von I = 0.2 Ampere und eine Spannung von U = 2.3 Volt die Klinge 10 optimal erwärmen.

Für das erfindungsgemässe Verfahren ist es also vorteilhaft, wenn je nach Material und Geometrie der Klinge 10, ein Strom zwischen 0.01 Ampere und 1 Ampere und einer Spannung zwischen 0.1 Volt und 10 Volt an den Kurvenabschnitt bzw. an die umzuformenden Kurvenabschnitte der Spiralfeder angelegt werden.

Experimente haben gezeigt, dass bei einer Spiralfeder mit einer CGS-Nummer von 7.5 folgende Werte für die elektrische Erwärmung nutzbar sind:

• Stromstärke I = 0,1 Ampere, Spannung U = 2.9 Volt;
• Stromstärke I = 0.2 Ampere, Spannung U = 2.5 Volt;
• Stromstärke I = 0.3 Ampere, Spannung U = 2.0 Volt;
• Stromstärke I = 0.4 Ampere, Spannung U = 1.8 Volt;
• Stromstärke I = 0.6 Ampere, Spannung U = 1.7 Volt;
• Stromstärke I = 1.0 Ampere, Spannung U = 1.5 Volt; und
• Stromstärke I = 1.2 Ampere, Spannung U = 1.4 Volt.

Die bestromten Abschnitte können so bspw. eine Länge von 2 Millimeter bis 20 Millimeter aufweisen.

In Figur 2 werden als Halteelemente zwei Stifte 23, 24 gezeigt, welche sich jeweils durch das Vorhandensein einer Durchgangöffnung 230, 240 statt eines Schlitzes 210, 220 von den Stiften 21, 22 unterscheiden. Durch das Vorsehen der Durchgangöffnung 230, 240 ist auch eine kontrollierte Bewegung in Richtung der Achse des Stiftes 23, 24 möglich. Die Greifabschnitte werden besser gegriffen. Eine solche Einspannung mit den Stiften 23, 24 erlaubt es also, einen Höhenknick aus der Ebene der Spiralfeder 1 in einen Kurvenabschnitt 100 zu formen. Die Halbwarmumformung wird durch Verschieben des beweglichen Stiftes 24 in Richtung des Pfeiles 5 aus der Ebene der Spiralfeder 1 erreicht. Es kann zusätzlich noch ein Drehbewegung vorgenommen werden (nicht dargestellt). Auch hier ist es so, dass vorzugsweise über die Stifte 23, 24, welche entsprechend elektrisch leitend ausgestaltet sind, die Verformung und die Rekristallisation in einem Arbeitsgang auszuführen. Die Halbwarmumformung nach Figur 2 kann bspw. bei der Herstellung von Breguet-Spiralen verwendet werden.

Figur 3 zeigt, dass der Kurvenabschnitt 100, welcher durch den Abschnitt der Klinge 10 zwischen den beiden Stiften 21, 22 begrenzt ist, nicht nur als Kreissegment umformbar ist, sondern dass durch die entsprechende Drehstellung des Schlitzes 210, 220 der Stifte 21, 22 eine andere Kurvenform in die Spiralfeder 1 eingebracht werden kann. Mit dem erfindungsgemässen Verfahren können also eine Vielzahl von Kurvenformen in die Spiralen eingebracht werden, wobei die Position des Stiftes 21, 22 im Raum und/oder die achsiale Drehposition des Stiftes 21, 22 geregelt werden.

Figur 4 zeigt eine Ausführungsform des Verfahrens, wobei lediglich ein Stift 21 in Ruhe bleibt und deren zwei Stifte 22, 25 bewegt werden. Die Drehstellungen der Stifte 22, 25 werden beim Verschieben der Stifte 22, 25 in der Ebene entlang der Verschiebungspfade 61, 62, 63 so geregelt, dass eine gewünschte Kurvenform aus der Halbwarmumformung resultiert. Auch hier handelt es sich um ein Verfahren der Halbwarmumformung, das heisst, die Klinge 10 ist bei der Umformung auf einer Temperatur T₁ wie oben beschrieben. Durch das Vorsehen von mehr als zwei Stiften 21, 22, 25 ist es möglich, komplexere Kurvenformen in die Spirale 1 einzubringen.

Figur 5 zeigt eine alternative Ausführungsform, welche die Verwendung von Stiften 21-25 nicht erfordert. Die Stifte 21-25 können jedoch auch hier verwendet werden, um die Halbwarmumformung besser zu führen. Auch hier wird die Klinge 10 auf die erste Temperatur T₁ erwärmt, wobei dann ein Formwerkzeug 3 mit einer ersten Pressbacke 31 und einer zweiten Pressbacke 32 verwendet werden. Die Pressbacken 31, 32 weisen komplementär zueinander geformte, einander zugeordnete erste und zweite Pressflächen 310 bzw. 320 auf, welche nach Fig. 5 rund sind. Durch Pressen des warmen Biegeabschnitts 1000 der Klinge 10 wird die Halbwarmumformung bewirkt. Durch das Vorsehen von solchen Formwerkzeugen ist es möglich, komplexere Strukturen, welche durch die Verschiebung von der Klinge 10 greifenden Stiften 21-25 im Raum nicht möglich sind. Zur Erwärmung können die Backen 31, 32 entsprechend heiss sein, oder es wird wiederum ein Strom durch den Kurvenabschnitt 100 geleitet. Zur Stromeinleitung können erneut Stifte oder andere Kontaktelemente benutzt werden.

Figur 6 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens, wobei die erwärmte Klinge 10 ebenfalls zwischen zwei Pressbacken 33, 34 eines weiteren Formwerkzeugs 3 eingebracht wird. Im Unterschied zu den Backen 31, 32 nach Fig. 5 weisen diese Backen 33, 34 anders ausgeformte dritte und vierte Pressflächen 330 bzw. 340 auf. Die dritte Pressfläche 330 weist eine Ausnehmung 331 auf; die vierte Pressfläche 340 weist einen Pressvorsprung 341 auf, welcher zum Eingriff in die Ausnehmung 331 ausgebildet ist. Mit einem solchen Formwerkzeug 3 nach Fig. 6 können relative kleine Strukturen in die warme Klinge 10 eingebracht werden. Durch diese Art der Umformung gemäss Figur 6 ist es bspw. möglich, die Steifheit der Spiralfeder 1 lokal durch Einbringen von Strukturen, welche sich auf einen kurzen Abschnitt der Klinge 10 beschränkt. Kurz meint hier eine Länge bis zu einer halben Windung oder vom 0.5- bis 5-Fachen, insbesondere etwa dem 2-Fachen der Kurzseite des Querschnitts der Klinge 10. So können bspw. verschiedene an sich anschliessende Abschnitte der Klinge 10 durch verschiedene Formen in eine bestimmte Konfiguration gebracht werden, sodass gewünschte Effekte bezüglich der Steifheit der Klinge 10 erreicht werden können.

Figur 7 zeigt eine weitere Struktur, welche durch die Pressflächen 350, 351 in einen warmen Kurvenabschnitt 100 der Spirale 1 einbringbar sind.

Die Spiralfeder 1 kann also insbesondere dadurch hergestellt werden, dass das Spiralband 10 in eine Biegefeder 1 umgeformt wird und bei 600°C bis 630°C während etwa zwei Stunden im Vakuum fixiert wird. Danach wird eine Halbwarmumformung der Rohspiralfeder 1 vorgenommen, wobei bei der Halbwarmumformung zumindest der Biegeabschnitt 100 auf die erste Temperatur T₁, vorzugsweise bei ungefähr 500°C, erwärmt wird. Alternativ kann die Spiralfeder 1 elastisch deformiert werden, sodass sie eine gewünschte Endlage einnimmt, worauf dann die Spiralfeder 1, d.h. zumindest deren Biegeabschnitt 1000 auf T₁ erwärmt wird und so die Umformung stattfindet. Es ist auch denkbar, dass die Bewegung der Feder aus einer Ausgangslage in die Endlage parallel zur Erwärmung auf T₁ vorgenommen wird.

Nach dieser Umformung kann allenfalls eine weitere thermische Behandlung durchgeführt werden. 1 spiralförmige Biegefeder 10a Klinge in Ausgangslage 3 Formwerkzeug 10 Klinge in Endlage 31 erste Pressbacke 121 erster Greifabschnitt von 10 310 erste Pressfläche von 31 122 zweiter Greifabschnitt von 10 32 zweite Pressbacke 125 fünfter Greifabschnitt von 10 320 zweite Pressfläche von 32 100 Kurvenabschnitt 33 dritte Pressbacke 1000 Biegeabschnitt 330 dritte Pressfläche von 33 331 Ausnehmung 21 erster Stift 34 vierte Pressbacke 210 erster Schlitz in 21 340 vierte Pressfläche von 34 22 zweiter Stift 341 Biegevorsprung 220 zweiter Schlitz in 22 350 fünfte Pressfläche 23 dritter Stift 351 sechste Pressfläche 230 dritter Schlitz in 23 24 vierter Stift 5 Bewegungsrichtung 240 vierter Schlitz in 24 25 fünfter Stift 6, 61, 62, 63 Bewegungslinie 250 fünfter Schlitz in 25