基于新钟表防震标准的冲击锤垫块材料分析

2020-08-26徐金翠翁建寅郭迪迪

机电工程技术 2020年7期

张娜，徐金翠，翁建寅，郭迪迪，刘宏

（飞亚达精密科技股份有限公司，广东深圳 518000）

0 引言

“防震”是手表的一项重要性能[1]，随着人们日益重视健康运动、电商物流迅速崛起等外部环境变化，手表的防震性能对手表质量的影响日益凸显。过去，钟表行业执行QB/T 1898-1993《钟表防震手表》标准，使用的是图1所示的手表防震摆动式冲击试验装置，标准中给出的冲击锤的冲击表面使用PTFE，在标准实施中发现PTFE 作为冲击表面，在投入使用后会迅速变形、硬化，如图2 所示。在新版GB/T 38022-2019《钟表防震手表》[2]标准起草过程中，为了防止冲击表面迅速硬化，有效改善冲击试验结果的稳定性，对冲击锤冲击表面的材料进行了专项研究分析。

图1 手表防震摆动式冲击试验装置

图2 PTFE垫块冲击后变形图

鉴于PTFE单一材料冲击表面的冲击参数，在首次冲击和多次冲击后存在显著差异的缺陷，选择了复合材料的方法，通过基体材料、冲击材料、粘接材料形成复合冲击表面，复合冲击表面应能实现PTFE首次冲击后的参数，并且具有良好的冲击稳定性[3-4]。

1 试验方案

1.1 试验原理

试验原理如图3所示。

图3 试验原理图

1.2 试验仪器

在现有的图1 所示的摆动式冲击试验装置上，分别安装PTFE冲击垫块（图4）和复合材料冲击垫块（图5）。

图4 PTFE冲击垫块

图5 复合材料冲击垫块

1.3 试验样板

由于手表形状、质量和材料会影响冲击特性本身，为了消除试验样板引起的测量差异，试验样板应符合以下规定：材料选用X10CrNiS18-9，不锈钢；质量为（0.100±0.002）kg，包括任何用于测量加速度的附加零件，如电容加速计。如图6所示，图中：a为调整以符合规定的质量；b为允许用于连接传感器的螺纹；c为冲击点和冲击方向。

图6 试验样板规定图（单位：mm）

1.4 试验项目

1.4.1 PTFE冲击垫块试验

首先用PTFE 进行试验，研究原来执行QB/T 1898-1993《钟表防震手表》时新PTFE 垫块在首次使用时的冲击特性参数，使复合材料垫块获得的冲击特性参数与PTFE 的相似。

1.4.2 复合材料冲击垫块试验

（1）复合材料的选择

冲击表面材料使用聚氨酯橡胶PUR[5-8]，PUR 耐磨性、耐冲击性好，硬度可调范围大，经过测试，PUR90 最为适合。基体材料选用聚甲醛树脂、不锈钢、铝3种。

（2）复合材料的装配方法

复合材料在装配时可以采用机械方法、胶水、黏接剂等方案，如果采用机械方法连接，在基体和覆盖层中间存在缝隙，试验的不确定性增加，排除机械连接的方法；在试验方案中保留胶水和黏接剂的方法。

在复合材料选定后，再进行以下几个方面的验证：冲击次数对复合材料影响的验证；冲击锤质量对复合材料影响的验证；不同产品对复合材料影响的验证。最后形成试验方案如表1所示。

表1 复合材料冲击验证试验计划表

2 结果与讨论

2.1 复合材料固定方法的选择

基体材料和冲击表面PUR 的固定方法有两种：一种是胶水，一种是双面胶。图7和图8概述了全部胶水和双面胶的结果。根据图7 与图8 两个直方图中的测试结果，选择与PTFE冲击特性相似的以下4种胶水作为复合垫块的粘接材料进行重复性测试，4 种胶水信息分别如下：（1）0.18 mm 的tesa 通用型 56172-00003；（2）0.25mm的tesa“溶胶覆盖层 ”55729-00017；（3） 1.60 mm 的 3M “PUR65自粘型”SJ-5816；（4）0.17 mm 的3 M“Scotch”9495LE。

图7 不同粘接方式冲击加速度的测试结果

图8 不同粘接方式冲击时长的测试结果

2.2 四种黏合剂的测试结果

经过测试，使用3M厚0.17 mm的9495LE双面胶作为复合材料冲击垫块的粘接剂（基体用POM，冲击表面用1.5 mm厚的PUR90），获得的冲击特性最为理想。在首次使用时，冲击加速度比PTFE 第一次冲击略严重，但比PTFE 第2 次及之后次数的冲击加速度要轻微，使用该型号双面胶所获得的冲击特性稳定性最高，标准差最小。具体测试结果如图9、图10所示。

图9 PTFE-9495LE 复合材料的冲击加速度随冲击次数变化的对比结果

图10 PTFE 和 9495LE 黏接的PUR90-1.5-POM 冲击时长一致性的对比结果

2.3 基体的选择

为选择基体，分别用聚甲醛树脂（POM）、铝材料、不锈钢材料作为垫块的基体，各进行30 次冲击，最后结果最接近于PTFE 的第一次冲击的垫块作为复合材料垫块的集体。使用的冲击表面是PUR90，粘剂是3M 的9495LE 双面胶。经过验证，聚甲醛树脂（POM）作为基体材料所获得的冲击特性最为理想，具体测试结果如图9、图10所示。

2.4 最终方案

经过大量验证，冲击复合材料垫块按照图11所示要求制作，包括垫块在内的冲击锤的总质量不低于3 kg。图中：1为冲击锤；2 为聚甲醛（POM）吸震器（POM C 可用Roechling的SUSTARIN C）；3 为丙烯酸双面胶带（可用3M 双面胶带9495LE）；4 为聚氨酯（PUR）冲击传递器（可用Bayer AG 的Vulkollan）。变更后的复合材料冲击垫块具有更稳定的冲击特性。

图11 冲击锤垫块的组成（单位：mm）

2.5 性能验证

确定复合材料后，将PTFE垫块与复合材料垫块获得的冲击特性进行比对，对比结果如图12所示。使用复合材料的冲击垫块可以有效再现PTFE 垫块的第一次冲击的峰值加速度；使用PTFE 垫块进行30 次冲击试验，获得的峰值加速度呈对数增长；使用复合材料垫块进行100余次冲击试验，获得的峰值加速度呈线性，基本保持在与第一次冲击相一致的恒定水平上。

图12 PTFE垫块与复合材料垫块冲击加速度对比图示

复合材料冲击垫块在经受一定次数冲击后，冲击特性会出现变化。为保证试验的再现性，对试验仪器在手表上产生的冲击特性（即主要是强度和持续时间）进行周期性的校验很重要，应对图6所示规定的试验样本施加的加速度进行周期性校验，冲击特性符合如图13 所示的曲线。图中：A 为加速度；Â为最大冲击加速度；t 为时间；tshock为冲击持续时间；a为最大（半正弦）为典型（半正弦）c为最小（三角）。