DE1248349B - Verfahren zur moeglichst genauen Einstellung des Temperaturkoeffizienten der Eigenfrequenz von metallischen mechanischen Schwingern - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANiD DEUTSCHES fllV PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Ini.C:

DeutscheKL: 42n».|/00

Nummcr Aktenzeichen:

Anmcldctag; Auslege tag:

1243349

V 23975 IX a/42 s

23.Aprfll963

24.Augurt 1967

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur möglichst genauen Einstellung des TcmpenituikoefB· zicntcn der Eigenfrequenz (ΓΚΛ von mechanischen mctanischeo Schwingern auf am Wert Noll oder emeu vorgegebenen kleinen positiven oder negativen s Wert

Bekanntlich werden elektrische SchwingelerDeoie in zunehmendem MaBe durch mechanische Schwinger erselzl. Der Einsatz von mechanischen Schwingern wird unier anderem deshalb für vorteflhaft je- lallen, weil bei einer Reihe von metallischen Werk· stoffen der Tcmpcraturkocffiaeni der Eigenfrequenz sehr kleb gwnacht werden kann, so daß ein solcher mechanischer Schwinger im Gegensatz zu elektrischen Schwingkreisen von einem Tcmpcraturwechsel to seiner immittelbaren Umgebung our wenig beeinflußt wird.

Ei sind z. B. mechanische Schwingclcmcntc aas meiallJscbcr Legierung auf Nickcl-Ehen-Baris mit Morybdinznsatz bekannt. Diese Legierungen weisen nach geeigneter Verarbeitung einen sehr kleinen Tempera tür koefftzlcnten der Eigenfrequenz (2"JQ mit etwa 5 bis 10· 1O^-0Z⁰C m einem Temperatarinlfirvall von etwa -60 bi$ +IA)⁰C auf.

Bei den bisher benutzten Verfahren zur Herstellung von mechanischen Schwingern oder Resonatoren aus geeignetem Sthwmßcrwcrkstofi mit vor Vcrfahrcn zur möglichst genauen Einstellung des TemperatuTkoeffizienten dec Eigenfrequenz von metallischen mechaoJschea Schwingern

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VACUUMSCHMELZE Gesellschaft mit beschränkter Haftung, Hanau/M., Grüner Weg 37

Als Erfinder benannt: Lothar Jung, Hanau/M.

gg Schwingfrequeoz und bestimmter Tempc-

raturabhingigkeit der Schwingfrequenz wurden die Tetnperarurkoctüzlcntcn durch eine entsprechende abechlicßcndc Wärmebehandlung an des gewünschten Wert des Tcmpcraturkoeffizknten angenähert. Es zeigte »ch aber, daß durch icrtignngstcchnischc Maßnahmen bei der Werkstoff- and ScfawingerbersleUung Streuungen der Wcrkstoffeiieoichafteo, _3S wie sie z. B. fan Hinblick auf die Schallgeschwindigkeit und den Tenaperaturkociflkntcn, nicht zu rermeidcn waren.

Nach dem Stand der Technik wird der Sticoung der Schallgeschwindigkeit dadurch Rechnung ge* tragen, daß z. B. beim Frcquenzabgleich der Schwtngelentente die Schwankungen der Schallgeschwindigkeit durch eine individuelle Korrektor der Lange des Schwingerkörpers kompensiert werden.

Dagegen konnten Streuungen des Temperaturkocffeicritcn der Eigenfrequenz von Schwingern, die aus dem gleichen Material hergestellt waren, bisher nicht ausgeglichen werden.

Nach einem älteren Vorschlag wird beim Aufbau von Schwingern die Einstellung des Temperaturkocfnzjcntcn auf einen vorgegebenen Wert dadurch erreicht, daß man die Anisotropie des Tcmperaiur koefftoentcn ausnutzt Bei diesen Verfahren wird der Verlauf der Anisotropie des Temperatnrkocffizicntcn in Abhängigkeit vom Winkel zur WaIznchtung innerhalb eines Blcchstreifcns bestimmt und das Material fur das Scbwingeiemcot dann unter einem solchen Winkel zur Walzricbtung aus dem Blechstreifen entnommen, daß der gewünschte Wert des TcmpcTBtuTkocffizictHcn erhatten wird.

Dieses ältere Verfahren laßt steh jedoch nicht bei bereits vorgefertigten mechanischen Schwing· elementen benutzen, sondern nur bei Bändern und Blechen. Es ist aber fur RundmcUll als Aasgangs· werkstoff nicht geeignet. FUr die Herstellung voa Schwingerkörpern ist Jedoch vielfach die Verwendung von Rundmctall vortcübaft.

Eiflndungagem&ß werden in den aus einer Legierung aas etwa 40»/« Nickel, etwa 9*/· Molybdän, etwa 0,5·/· Beryllium, etwa 0,7*/· Mangan, etwa 0,4·/« Silizium und Rest Eisen hergestellten Schwin· gcrkörpcrn zwischen Mantclfl^chco und Kcrnzoncn Inhomogenitäten hervorgerufen, indem aus dem Gußbarren der angegebenen Legierung über Warm· uod gegebenenfalls Kaltverformung ein Rundstab hergestellt, dieser bei einer Temperaair voa etwa 1050⁰C in Wasserstoffatmosphärc zur Homogenisierung geglüht, anschließend an Luft abgekühlt, darauf gegebeaenfalts kaltverfottnt und danach etwa 30 Minuten bei etwa 600 bis 700° C in Wasserstoff· atmosphäre angelassen wird und in dem von dem auf die gewünschte Länge geschnittenen Schwingerkörper die Mantclflächcnschicht ganz oder teilweise so stark abgetragen, bzw. der Kern so weit ausgebohrt wird, bis sich der Temperaturkoeffizient auf den gewünschten Wert vergrößert bzw. verkleinert hat.

THfWOD

3 4

Die Erfindung ist an Hand der Zeichnungen näher kristallograpsichen Gefugeanordnung zurückführen

erläutert. lassen. Die Mantelfläche des mit derartigen In-

Abb. 1 zeigt den Querschnitt des erfindungs- homogenitäten hergestellten Schwingelementes wird,

gemäßen Schwingelementes in Form eines Rund- wie vorstehend bereits ausgeführt, abgetragen oder

Stabes. Mit d_a ist der Anfangsaußendurchmesser und 5 der Kern des Stabes achsparallel ausgebohrt, um das

mit d_e der Enddurchmesser bezeichnet, der sich nach Verhältnis der Inhomogenitäten zu ändern und damit

Abtragen der Mantelschicht ergibt; den TK_S des Schwingelementes innerhalb eines ge-

A b b. 2 zeigt in einer allgemeinen grafischen Dar- wissen Bereiches in gewünschter Weise zu variieren,

stellung die Abhängigkeit des TK₁ vom Verhält- In den folgenden Beispielen wird das erfindungs-

nis d_e: d_a eines Rundstabes; io gemäße Verfahren zur Einstellung eines vorgege-

A b b. 3 zeigt die Längsansicht eines Rundstabes. benen TK_f in Schwingelementen veranschaulicht.

Mitl ist die Länge des Stabes, mitd_fl der anfäng- Zugleich wird in den Beispielen ausgeführt, wie im

liehe Außendurchmesser und mit d_e der Enddurch- Zusammenhang mit der Einstellung eines bestimmten

messer nach Abtragen der Mantelschicht bezeichnet; TK_f auch die Sollfrequenz der Schwingelemente ein-

A b b. 4 zeigt in grafischer Darstellung die Ab- 15 gestellt werden kann. Die Einstellung der SoIlhängigkeit des TK₁ vom Verhältnis d_e: d_a des im frequenz durch Änderung der Schwingerlänge ist Beispiel 1 behandelten Rundstabes von 8 mm An- bekannt; denn nach der Gleichung, z. B. für Torfangsdurchmesser; sionsschwinger:

Abb. 5 zeigt in grafischer Darstellung die Ab- .—

hängigkeit des TK_f vom Verhältnis d_e: d_a des im 20 /— ]/ ,

Beispiel 2 behandelten Rundstabes von 6 mm An- 2 / [' ρ
fangsdurchmesser;

A b b. 6 zeigt in grafischer Darstellung die Ab- in der / die Eigenfrequenz, / die Schwingeriänge, hängigkeit des TK_f vom Verhältnis des inneren G den Schubmodul und ρ die Dichte des Schwinger-Durchmessers di zum äußeren Durchmesser d_a des 25 materials bedeutet, ist die Eigenfrequenz umgekehrt im Beispiel 3 behandelten, 9 mm dicken und mit proportional der Schwingerlänge,
einer zentralen Bohrung versehenen Rundstabes; Das den nachstehenden Beispielen 1 bis 3 zu-

A b b. 7 zeigt den Querschnitt des im Beispiel 3 gründe liegende Material für die Schwingelemente

behandelten Rundstabes mit dem Außendurch- besteht aus einer aushärtbaren Nickel-Eisen-Le-

messer d_a und mit dem Innendurchmesser d_{. 30 gierung mit 40,5% Nickel, 9,02% Molybdän, 0,5%

Das allgemeine Erfindungsprinzip läßt sich bei- Beryllium, 0,7% Mangan, 0,4% Silizium, Rest

spielhaft an Hand der Abb. 1 und 2 erläutern. In Eisen.

A b b. 1 wird der Querschnitt eines solchen Schwing- Beispiel 1

elementes in Form eines Rundstabes gezeigt. Dieser ^

Rundstab hat einen anfänglichen Außendurch- 35 Es sei ein Biegeschwinger in Form eines Rundmesser d_a, der im Laufe einer Mantelflächen- Stabes nach A b b. 3 mit einem TK_f <C · 10~⁷/° C abtragung auf einen Enddurchmesser d_e absinkt. und einer Sollfrequenz von 10 kHz zu erstellen.
Verfolgt man den TK_f eines solchen Rundstabes mit Hierzu wurde die obige Legierung erschmolzen abnehmendem Durchmesser, indem man das Ab- und aus dem Gußbarren über entsprechende Warmtragen der Mantelfläche periodisch unterbricht und 40 und Kaltverformungen ein Rundstab mit 9 mm den Wert des TK_f feststellt, so erhält man z. B. die Durchmesser hergestellt. Der Draht wurde 1 Stunde in A b b. 2 wiedergegebene Abhängigkeit des TK_f bei 1050° C in einer Wasserstoffatmosphäre gevon dem Durchmesserverhältnis d_e : d_a in Form glüht. Anschließend wurde an Luft abgekühlt und einer durch die Punkte α und b gehende Kurve. eine Kaltverformung von 21% vorgenommen, so

Das Sehwingelement besitzt nach A b b. 2 mit 45 daß ein Draht mit 8,0 mm Durchmesser vorlag. An

einem Außendurchmesser d_a einen negativen Tempe^ einer Probe des so behandelten 8 mm starken

raturkoeffteienten, der dem Punkt α der Kurve in Drahtes wurde die Mantelfläche abgetragen und

A b b. 2 entspricht. Durch Abtragen der Mantel- der TK_f bestimmt. A b b. 4 zeigt die Abhängigkeit

fläche wird der Betrag des negativen Temperatur- des TK_f von dem Verhältnis d₆ : d_a. Der obenkoeffizienten verhältnismäßig rasch kleiner, um bei 50 benannte Draht mit einem d_a — 8 mm besaß einen

einem bestimmten Verhältnis d_e: d_a am Punkt b in negativen TK_f von etwa — 1 · 10~^e/° C entsprechend

A b b. 2 durch Null zu gehen. Ein weiteres Abtragen dem Punkt e in A b b. 4. Durch ein Abtragen der

der Mantelfläche des Schwingelementes läßt den Mantelfläche wurde der TK_t positiver, um am

Temperaturkoeffizienten positiv werden. Die in und die Werkstoffdichte ρ mit 8,25 g/cm³ ermittelt. A b b. 2 gezeigte Kurve kann im Einklang mit dem 55 Null zu gehen. Dieser Angabe ist zu entnehmen, daß

Erfindungsgedanken auch völlig im Gebiet des posi- der Anfangsdurchmesser des Drahtes von 8 mm

tiven bzw. negativen Temperaturkoeffizienten der entsprechend dem Verhältnis ά_έ'.ά_α — 0,885 auf

Eigenfrequenz liegen. einen Enddurchmesser von 7,08 mm zu verringern

Die Ursache für die Änderung des TK_f durch ist, um die eingangs erhobenen Forderungen nach Abtragen der Mantelfläche oder durch Ausbohren 60 der Einstellung eines TK_f < 1 · 1O~⁷/⁰ C zu erfüllen,

des Schwingerkörpers dürfte in Inhomogenitäten des Für die Biegeschwinger war neben dem

Schwingermaterials begründet liegen. Es wird daher ^ _o

angestrebt, in den Schwingelementen zwischen ober- J a, <. 1 · lü / L.

flächen- und achsnahen Bereichen in ihrer Größe noch eine Sollfrequenz von 1OkHz gefordert. Zur sich ändernde Inhomogenitäten einzubringen oder 65 Erfüllung dieser Forderung wurde zunächst der

hervorzurufen, die sich auf Spannungsunterschiede dynamische Elastizitätsmodul mit 18 610 kg/mm²

und/oder auf Konzentrationsunterschiede der Le- und die Werkstoffdichte ρ mit 8,25 g/cm³ ermittelt,

gierungskörner und/oder auf Unterschiede in der Aus diesen Größen und den bekannten Beziehungen

zwischen Elastizitätsmodul, Dichte, Frequenz und Drahtdurchmesser wurde dann die Länge des Schwingstabes mit 54,45 mm ermittelt.

Beispiel 2

Es sei ein Torsionsschwinger herzustellen, dessen TKf zur Kompensation der gegenläufigen Frequenzänderung der elektromechanischen Wandler bei Temperaturänderung den Betrag

TKf= + 1 · 10-5/⁰C

aufweisen soll. Die gewünschte Sollfrequenz dieses Torsionsschwingers möge 100 kHz betragen.

Aus dem bezeichneten Legierungsmaterial wurde ein Runddraht von 9,0 mm Durchmesser hergestellt. Der Draht wurde ebenso wie im Beispiel 1 1 Stunde bei 1050° C in einer Wasserstoffatmosphäre geglüht und danach an Luft abgekühlt. Der Draht wurde dann in zwei Zügen auf 6 mm Durchmesser, entsprechend einer Kaltverformung von etwa 55%, heruntergezogen, anschließend V2 Stunde bei 700° C in einer Wasserstoffatmosphäre angelassen und im Ofen abgekühlt.

Dieser so behandelte 6 mm starke Draht wies einen TK_f von etwa +2,4 · 10~^β/° C entsprechend Punkt / der Abb. 5 auf. Durch ein Abtragen der Mantelfläche stieg der TK_f in Abhängigkeit von dem Verhältnis d_e : d_a längs der in A b b. 5 gezeichneten Kurve. Aus dieser Kurve ist zu entnehmen, daß der geforderte TK_f von +1 · IO-⁵/⁰ C bei einem Verhältnis d_e:d_a = 0,815 auftritt. Das bedeutet, daß der Anfangsdurchmesser des Drahtes von 6 mm auf 4,9 mm zu reduzieren ist, um den geforderten XT_rWert zu erhalten.

Für diesen Torsionsschwinger war neben dem TKf= +1 · 10-⁵/°C noch eine Sollfrequenz von 100 kHz gefordert. Es wurde daher in dem auf 4,9 mm reduzierten Runddraht die Schallgeschwindigkeit c zu 2,9424 km/s bestimmt und aus der bekannten Beziehung c = / · λ die Schwingerlänge zu 14,712 mm errechnet.

Beispiel3

Es sei ein Längsschwinger mit einem 77£_rBetrag kleiner als 1 · 10~⁷/°C und einer Sollfrequenz von 5OkHz gefordert. Hierzu wurde ein Runddraht von 9 mm Durchmesser aus der obengenannten Legierung hergestellt. Der Draht wurde 1 Stunde bei 1100° C in einer Wasserstoffatmosphäre geglüht und danach an Luft abgekühlt und 30 Minuten bei 600° C in einer Wasserstoffatmosphäre angelassen. Ein so behandelter 9 mm starker Draht hatte einen TK_f von +3,2· ΙΟ"⁶/⁰ C entsprechend Punkt ο in der Abb. 6. Bohrt man in einem Probestück entsprechend A b b. 7 den Kern bis zu einem inneren Durchmesser d_t aus, so kann man ebenfalls eine Abhängigkeit des TKf von dem Verhältnis d_t: d_a feststellen. Für den so erhaltenen 9 mm starken Draht ergibt sich, daß durch eine Ausbohrung der TK_f erniedrigt werden kann entsprechend dem Kurvenverlauf ο bis q in Abb. 6. Bei einem Verhältnis di: d_a = 0,723, entsprechend Punkt q, würde ein solcher Draht den 77£_rWert Null besitzen.

Für den vorstehend als Beispiel angegebenen Längsschwinger war neben einem TK_f<i 1 · 10~⁷/° C eine Sollfrequenz von 50 kHz gefordert worden. Um die genaue Länge des Schwingstabes bestimmen zu können, wurde in dem 9 mm starken Runddraht, der entsprechend dem oben angegebenen Verhältnis di: d_a = 0,723 mm eine axiale Bohrung von 6,5 mm erhalten hatte, die Schallgeschwindigkeit zu 4,605 km/s gemessen. Aus der bekannten Beziehung c = j-X errechnete sich dann die Schwingerlänge zu 46,05 mm. Dieser Schwinger mit einer Länge von 46,05 mm, mit einem Außendurchmesser d_a = 9 mm und einem Innendurchmesser d_t = 6,5 mm, besaß, wie gefordert, eine Eigenfrequenz von 5OkHz und einen TK, <1 · 10"V⁰C.

Im Hinblick auf das Beispiel 3 sei betont, daß Ausbohrungen bei Schwingelementen zur Änderung der Kopplung von Schwingelementen eines mechanischen Filters bekannt sind. Eine solche Ausbohrung jedoch zur Variation des 77£_rWertes eines Schwingelementes vorzunehmen, war bisher nicht bekannt.

Das im Beispiel 2 beschriebene Schwingelement hatte eine Länge von 14,712 mm und einen Durchmesser von 4,9 mm. Es stellt rein gewichtsmäßig nur einen sehr kleinen Bruchteil eines für diese Legierungszusammensetzung üblichen Schmelzgewichtseinsatzes dar. Ausgehend von z. B. 100 kg Schmelzeinsatz könnte daher eine Vielzahl solcher Elemente hergestellt werden, deren jeweiliger 77£_rWert, bedingt durch die jeder großtechnischen Produktion innewohnenden Streuung von Eigenschaftswerten, nur innerhalb eines gewissen Toleranzbereiches zu liegen käme.

Auf Grund des erfindungsgemäßen Verfahrens können trotz voneinander abweichender Werte des TK_f des Ausgangsmaterials in einfacher Weise Schwingelemente hergestellt werden, die praktisch alle den gleichen TK_f aufweisen und daher zum Aufbau hochwertiger Schwinger- oder Resonatoranordnungen zu verwenden sind.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur möglichst genauen Einstellung des Temperaturkoeffizienten der Eigenfrequenz (TKf) von mechanischen metallischen Schwingern auf den Wert Null oder einen vorgegebenen kleinen positiven oder negativen Wert, dadurch gekennzeichnet, daß in den aus einer Legierung aus etwa 40% Nickel, etwa 9% Molybdän, etwa 0,5% Beryllium, etwa 0,7% Mangan, etwa 0,4% Silizium und Rest Eisen hergestellten Schwingerkörpern zwischen Mantelflächen und Kernzonen Inhomogenitäten hervorgerufen werden, indem aus dem Gußbarren der angegebenen Legierung über Warmund gegebenenfalls Kaltverformung ein Rundstab hergestellt, dieser bei einer Temperatur von etwa 1050⁰C in Wasserstoffatmosphäre zur Homogenisierung geglüht, anschließend an Luft abgekühlt, darauf gegebenenfalls kaltverformt und danach etwa 30 Minuten bei etwa 600 bis 700° C in Wasserstoffatmosphäre angelassen wird und daß von dem auf die gewünschte Länge geschnittenen Schwingerkörper die Mantelflächenschicht ganz oder teilweise so stark abgetragen bzw. der Kern so weit ausgebohrt wird, bis sich der Temperaturkoeffizient auf den gewünschten Wert vergrößert bzw. verkleinert hat.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Schwingerkörpern mit run-

dem Querschnitt die Abtragung der Mantelfläche durch Abdrehen, Abschleifen, Abschaben öder Ätzen erfolgt.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingerkörper achsparaliel ausgebohrt wird.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschrift Nr. 1147 335; USA.-Patentschriften Nr. 1 880 923,1882 398, 482;
Nachrichtentechnische Fachberichte (NTF), Bd. 19,

S. 34 bis 37.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen