基于新鐘表防震標準的沖擊錘墊塊材料分析

張 娜，徐金翠，翁建寅，郭迪迪，劉 宏

（飛亞達精密科技股份有限公司，廣東深圳 518000）

0 引言

“防震”是手表的一項重要性能[1]，隨著人們日益重視健康運動、電商物流迅速崛起等外部環境變化，手表的防震性能對手表質量的影響日益凸顯。過去，鐘表行業執行QB/T 1898-1993《鐘表防震手表》標準，使用的是圖1所示的手表防震擺動式沖擊試驗裝置，標準中給出的沖擊錘的沖擊表面使用PTFE，在標準實施中發現PTFE 作為沖擊表面，在投入使用后會迅速變形、硬化，如圖2 所示。在新版GB/T 38022-2019《鐘表防震手表》[2]標準起草過程中，為了防止沖擊表面迅速硬化，有效改善沖擊試驗結果的穩定性，對沖擊錘沖擊表面的材料進行了專項研究分析。

圖1 手表防震擺動式沖擊試驗裝置

圖2 PTFE墊塊沖擊后變形圖

鑒于PTFE單一材料沖擊表面的沖擊參數，在首次沖擊和多次沖擊后存在顯著差異的缺陷，選擇了復合材料的方法，通過基體材料、沖擊材料、粘接材料形成復合沖擊表面，復合沖擊表面應能實現PTFE首次沖擊后的參數，并且具有良好的沖擊穩定性[3-4]。

1 試驗方案

1.1 試驗原理

試驗原理如圖3所示。

圖3 試驗原理圖

1.2 試驗儀器

在現有的圖1 所示的擺動式沖擊試驗裝置上，分別安裝PTFE沖擊墊塊（圖4）和復合材料沖擊墊塊（圖5）。

圖4 PTFE沖擊墊塊

圖5 復合材料沖擊墊塊

1.3 試驗樣板

由于手表形狀、質量和材料會影響沖擊特性本身，為了消除試驗樣板引起的測量差異，試驗樣板應符合以下規定：材料選用X10CrNiS18-9，不銹鋼；質量為（0.100±0.002）kg，包括任何用于測量加速度的附加零件，如電容加速計。如圖6所示，圖中：a為調整以符合規定的質量；b為允許用于連接傳感器的螺紋；c為沖擊點和沖擊方向。

圖6 試驗樣板規定圖（單位：mm）

1.4 試驗項目

1.4.1 PTFE沖擊墊塊試驗

首先用PTFE 進行試驗，研究原來執行QB/T 1898-1993《鐘表防震手表》時新PTFE 墊塊在首次使用時的沖擊特性參數，使復合材料墊塊獲得的沖擊特性參數與PTFE 的相似。

1.4.2 復合材料沖擊墊塊試驗

（1）復合材料的選擇

沖擊表面材料使用聚氨酯橡膠PUR[5-8]，PUR 耐磨性、耐沖擊性好，硬度可調范圍大，經過測試，PUR90 最為適合。基體材料選用聚甲醛樹脂、不銹鋼、鋁3種。

（2）復合材料的裝配方法

復合材料在裝配時可以采用機械方法、膠水、黏接劑等方案，如果采用機械方法連接，在基體和覆蓋層中間存在縫隙，試驗的不確定性增加，排除機械連接的方法；在試驗方案中保留膠水和黏接劑的方法。

在復合材料選定后，再進行以下幾個方面的驗證：沖擊次數對復合材料影響的驗證；沖擊錘質量對復合材料影響的驗證；不同產品對復合材料影響的驗證。最后形成試驗方案如表1所示。

表1 復合材料沖擊驗證試驗計劃表

2 結果與討論

2.1 復合材料固定方法的選擇

基體材料和沖擊表面PUR 的固定方法有兩種：一種是膠水，一種是雙面膠。圖7和圖8概述了全部膠水和雙面膠的結果。根據圖7 與圖8 兩個直方圖中的測試結果，選擇與PTFE沖擊特性相似的以下4種膠水作為復合墊塊的粘接材料進行重復性測試，4 種膠水信息分別如下：（1）0.18 mm 的tesa 通用型 56172-00003；（2）0.25mm的tesa“溶膠覆蓋層 ”55729-00017；（3） 1.60 mm 的 3M “PUR65自粘型”SJ-5816；（4）0.17 mm 的3 M“Scotch”9495LE。

圖7 不同粘接方式沖擊加速度的測試結果

圖8 不同粘接方式沖擊時長的測試結果

2.2 四種黏合劑的測試結果

經過測試，使用3M厚0.17 mm的9495LE雙面膠作為復合材料沖擊墊塊的粘接劑（基體用POM，沖擊表面用1.5 mm厚的PUR90），獲得的沖擊特性最為理想。在首次使用時，沖擊加速度比PTFE 第一次沖擊略嚴重，但比PTFE 第2 次及之后次數的沖擊加速度要輕微，使用該型號雙面膠所獲得的沖擊特性穩定性最高，標準差最小。具體測試結果如圖9、圖10所示。

圖9 PTFE-9495LE 復合材料的沖擊加速度隨沖擊次數變化的對比結果

圖10 PTFE 和 9495LE 黏 接 的PUR90-1.5-POM 沖擊時長一致性的對比結果

2.3 基體的選擇

為選擇基體，分別用聚甲醛樹脂（POM）、鋁材料、不銹鋼材料作為墊塊的基體，各進行30 次沖擊，最后結果最接近于PTFE 的第一次沖擊的墊塊作為復合材料墊塊的集體。使用的沖擊表面是PUR90，粘劑是3M 的9495LE 雙面膠。經過驗證，聚甲醛樹脂（POM）作為基體材料所獲得的沖擊特性最為理想，具體測試結果如圖9、圖10所示。

2.4 最終方案

經過大量驗證，沖擊復合材料墊塊按照圖11所示要求制作，包括墊塊在內的沖擊錘的總質量不低于3 kg。圖中：1為沖擊錘；2 為聚甲醛（POM）吸震器（POM C 可用Roechling的SUSTARIN C）；3 為丙烯酸雙面膠帶（可用3M 雙面膠帶9495LE）；4 為聚氨酯（PUR）沖擊傳遞器（可用Bayer AG 的Vulkollan）。變更后的復合材料沖擊墊塊具有更穩定的沖擊特性。

圖11 沖擊錘墊塊的組成（單位：mm）

2.5 性能驗證

確定復合材料后，將PTFE墊塊與復合材料墊塊獲得的沖擊特性進行比對，對比結果如圖12所示。使用復合材料的沖擊墊塊可以有效再現PTFE 墊塊的第一次沖擊的峰值加速度；使用PTFE 墊塊進行30 次沖擊試驗，獲得的峰值加速度呈對數增長；使用復合材料墊塊進行100余次沖擊試驗，獲得的峰值加速度呈線性，基本保持在與第一次沖擊相一致的恒定水平上。

圖12 PTFE墊塊與復合材料墊塊沖擊加速度對比圖示

復合材料沖擊墊塊在經受一定次數沖擊后，沖擊特性會出現變化。為保證試驗的再現性，對試驗儀器在手表上產生的沖擊特性（即主要是強度和持續時間）進行周期性的校驗很重要，應對圖6所示規定的試驗樣本施加的加速度進行周期性校驗，沖擊特性符合如圖13 所示的曲線。圖中：A 為加速度；?為最大沖擊加速度；t 為時間；tshock為沖擊持續時間；a為最大（半正弦）為典型（半正弦）c為最小（三角）。

圖13 沖擊圖形曲線圖

根據數據收集結果，聚氨酯（PUR）沖擊傳遞器及丙烯酸雙面膠帶應在一定的頻次內更換，更換頻次與被測樣品的類型有關。在達到下面任一情況后應重新進行校準：

（1）對柄軸的30 次沖擊；

（2）對殼角的30 次沖擊；

（3）對9 點鐘位置或表玻璃的100 次沖擊；

（4）貯藏2 年。

3 結束語

（1）新版GB/T 38022-2019《鐘表防震手表》標準相比于QB/T 1898-1993《鐘表防震手表》標準，具有更穩定的沖擊特性。

（2）原QB/T 1898-1993使用PTFE墊塊，獲得的峰值加速度呈對數增長；新標準中使用復合材料沖擊墊塊，隨著試驗次數增加獲得的峰值加速度呈線性，基本保持在與第一次沖擊相一致的恒定水平上。

（3）復合材料沖擊錘墊塊改善了原PTFE墊塊的快速老化問題，有效提高了試驗的重復性和有效性，更有利于驗證手表的防震性能，促進標準的實施和應用。