CH703796B1 - Ressort. - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un ressort amélioré. Ce ressort est réalisé en un alliage de composition massique suivante: – carbone: de 0.1% à 1%, – manganèse: de 5% à 25%, – chrome: de 16% à 20%, – azote: de 0.1% à 5%, – niobium: ≤ 0.25%, – molybdène: de 2.5% à 4.2%, – fer: le solde. L’invention s’applique particulièrement à un ressort de barillet et concerne également un barillet comportant un tel ressort et une pièce d’horlogerie équipée d’un tel barillet.

Description

Domaine technique

[0001] La présente invention se rapporte au domaine de la micromécanique et concerne le domaine des ressorts. Plus particulièrement, l’invention peut être appliquée au domaine de l’horlogerie, notamment aux ressorts de barillet utilisés dans l’horlogerie mécanique.

Etat de la technique

[0002] Une application particulière de l’invention concerne les ressorts de barillet. Dans un mouvement de montre mécanique, l’énergie nécessaire à son fonctionnement est généralement emmagasinée dans un ressort, logé dans un barillet et, de fait, appelé ressort de barillet. La force fournie est distribuée par l’échappement et régulée par un oscillateur, qui est généralement un balancier-spiral.

[0003] La force que doit transmettre le ressort est déterminée par les caractéristiques du mouvement, à partir desquelles le ressort est dimensionné. Le diamètre du barillet conditionne le nombre de tour que peut comporter le ressort, ce nombre de tour étant le paramètre essentiel déterminant la réserve de marche du mouvement, c’est-à-dire la durée maximale pendant laquelle le barillet peut faire fonctionner le mouvement dans des conditions correctes.

[0004] A l’heure actuelle, les ressorts de barillet sont réalisés de manière quasi exclusive, en Nivaflex<®>. En effet, un ressort de barillet doit réunir plusieurs qualités fondamentales. Il doit être inoxydable, amagnétique, infatigable, et présenter un coefficient d’élasticité très élevé. A l’heure actuelle, le Nivaflex<®> présente toutes ces qualités et offrent des performances remarquables. On constate qu’ils occupent une situation de quasi monopole sur le marché.

[0005] D’un point de vue pratique, si on met en œuvre un ressort de barillet en Nivaflex dans un mouvement existant, la dimension disponible pour le barillet et la force que le ressort doit fournir étant déterminées, il n’y a pas de possibilité d’améliorer la réserver de marche du mouvement, puisqu’on ne peut modifier le nombre de tour d’enroulement sans redimensionner la place occupée par le barillet et donc modifier le mouvement.

[0006] La présente invention a notamment pour but de permettre une amélioration significative de la réserve de marche d’un mouvement, sans modifier les dimensions du barillet, ni les éléments de l’organe réglant.

[0007] L’invention a également pour but de proposer un nouveau type de ressort, particulièrement intéressant dans le domaine de l’horlogerie.

Divulgation de l’invention

[0008] Pour atteindre ces buts, l’invention concerne un ressort tel que défini dans les revendications. Dans une application particulièrement avantageuse, l’invention trouve à s’appliquer dans un ressort de barillet. Ainsi, l’invention concerne également un barillet comportant un tel ressort et une pièce d’horlogerie équipée d’un tel barillet.

Brève description des dessins

[0009] D’autres détails de l’invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite en référence au dessin annexé dans lequel: <tb>les fig. 1 et 2<sep>sont des graphiques illustrant les avantages de l’invention dans le cadre de son application à un ressort de barillet, et <tb>les fig. 3a et 3b<sep>montrent un autre exemple comparatif d’un avantage de l’invention dans cette même application.

Mode(s) de réalisation de l’invention

[0010] La présente invention repose sur l’utilisation pour la réalisation d’un ressort, d’un alliage de composition massique suivante: <tb>–<sep>carbone: de 0.1% à 1%, <tb>–<sep>manganèse: de 5% à 25%, <tb>–<sep>chrome: de 16% à 20%, <tb>–<sep>azote: de 0.1% à 5%, <tb>–<sep>niobium: ≤ 0.25% <tb>–<sep>molybdène: de 2.5% à 4.2%, <tb>–<sep>fer: le solde.

[0011] Ce genre d’alliage est connu sous la référence acier 1.4452. Il est généralement utilisé dans des applications médicales, pour des prothèses, voire dans l’horlogerie pour des pièces d’habillage, tel que des bracelets ou des boîtes de montre. En effet, cet alliage ne contient pas de nickel et est, de fait, bien toléré au niveau des allergies. A la connaissance de la demanderesse, cet alliage n’est pas utilisé pour ses qualités d’élasticité.

[0012] Or, comme nous allons le montrer ci-après, la demanderesse a remarqué l’extrême intérêt à utiliser cet alliage pour en faire des ressorts, appliqués à l’horlogerie ou non. Particulièrement, cet alliage est extrêmement intéressant pour réaliser un ressort de barillet aux propriétés remarquables.

[0013] Pour les applications concernées, l’alliage contient, de préférence, moins de 0.15% de carbone. Il peut également contenir, plus particulièrement, entre 0.75% et 1% d’azote. De plus, l’alliage peut également contenir entre 12% et 16% de manganèse.

[0014] Afin de démontrer les avantages de l’alliage proposé, la description qui va suivre va mettre en avant ses qualités dans le cadre de son application à un ressort de barillet, sans toutefois limiter l’invention à cette application particulière.

[0015] Ainsi, pour tester de manière comparative les performances d’un ressort de barillet réalisé dans un tel alliage, on a réalisé des ressorts de barillet aux dimensions d’un ressort de barillet étalon, en Nivaflex<®>. Dans les exemples ci-après, les ressorts testés ont les dimensions suivantes: 1.18 × 0.115 × 455 (mm). Par souci de clarté, on précisera que ces dimensions sont, respectivement, la hauteur, l’épaisseur et la longueur de la lame ressort.

[0016] Pour la fabrication, les premiers essais ont été réalisés en utilisant une méthode de fabrication habituellement utilisée avec du Nivaflex<®>, ceci afin de pouvoir effectuer une comparaison rigoureuse. Cette méthode étant connue, elle ne sera pas décrite en détail.

[0017] Pour réaliser un ressort en Nivaflex<®> aux dimensions requises, on doit avoir un fil de diamètre de 0.55 mm. Pour atteindre cette dimension, on tréfile un fil ébauche recuit de 1.1 mm de diamètre, ce qui correspond à un taux d’écrouissage optimal de 65% à 75% et une résistance à la rupture en traction de 2000 MPa à 2200 MPa. On entend par écrouissage optimal un écrouissage permettant d’obtenir un optimal au niveau du rapport entre l’élasticité et la fragilité du matériau. Ainsi, avec du Nivaflex<®>, on sait que le tréfilage ne doit pas être maximum, car le matériau devient trop fragile.

[0018] Pour l’acier 1.4452, le taux d’écrouissage optimal est supérieur à 98%. Or, à ce jour, l’acier tell qu’utilisé dans le cadre de l’invention est disponible sur le marché sous la forme de fil de diamètre de 1.29 mm, ce qui correspond à un taux d’écrouissage de 82%. Les tests ci-après ont donc été effectués à partir d’un tel fil, ce qui laisse augurer d’améliorations supplémentaires possibles en partant d’un fil davantage écroui.

[0019] Les fils de Nivaflex<®> et d’acier 1.4452 sont ensuite laminés et traités thermiquement à une température de 380° pendant 4h.

[0020] Les ressorts obtenus, ayant donc les mêmes dimensions et ayant été obtenus selon le même procédé pour le ressort en Nivaflex<®>et le ressort en acier 1.4452, présentent les résultats suivants: Nivaflex<®> <tb><sep><sep>Acier 1.4452 <tb>Fil<sep>Ressorts 1.18 × 0.115 × 455 traité 380 °C<sep>Fil<sep>Ressorts 1.18 × 0.115 × 455 Traité 380 °C <tb>Ø 0.55 mm<sep>M 0.5<sep>M 4.8<sep>Ø 0.55 mm<sep>M 0.5<sep>M 4.8 <tb>Rm 2018 MPa A 6.3%<sep>7.88 mNm<sep>6.35 mNm<sep>Rm 2480 MPa A 5.9%<sep>8.25 mNm (+5%)<sep>6.88 mNm (+8%)

[0021] Dans ce tableau, Rm signifie la résistance mécanique en traction du ressort, soit la force appliquée pour le rompre. La valeur A est l’allongement relatif du ressort lors de cette rupture. Les valeurs M0.5 et M4.8 sont les couples fournis par le barillet intégrant ledit ressort, respectivement lorsque, après avoir été armés au maximum, les ressorts sont déchargés de 0.5 ou de 4.8 tours de barillet. Naturellement, en matière d’horlogerie, on souhaite que le couple fourni par le ressort soit aussi constant que possible au cours du désarmage du ressort, et que les valeurs M0.5 et M4.8 soient aussi proches que possible l’une de l’autre.

[0022] On peut déjà constater une amélioration nette des caractéristiques mécaniques d’un ressort en alliage selon l’invention par rapport à un ressort en Nivaflex<®>. On peut relever que la rupture se fait à un allongement comparable, mais que le ressort en acier 1.4452 supporte une traction beaucoup plus importante (+22.9%). De plus, pour un ressort de mêmes dimensions, le couple transmis est plus important (+5% ou +8%, respectivement à M0.5 et M4.8), notamment avec une meilleure stabilité au cours du désarmage.

[0023] En outre, comme mentionné ci-dessus, l’alliage utilisé pour réaliser un ressort selon l’invention peut être davantage tréfilé. On l’a ainsi tréfilé jusqu’à un diamètre de 0.18 mm. On a calculé les valeurs théoriques qui seraient obtenues avec un ressort de barillet aux dimensions requises, obtenu à partir d’un fil tréfilé de 0.18 mm. <tb>Acier 1.4452<sep><sep>Propriétés théoriques calculées pour traitement à 380 °C <tb>Fil Ø 0.18 mm<sep><sep>M0.5<sep>M4.8 <tb>Rm 3010MPa A 5.9%<sep><sep>8.73mNm (+11%)<sep>7.44mNm (+17%)

[0024] On peut constater qu’un ressort en acier 1.4452 ayant ces dimensions permet d’obtenir une résistance à la rupture supérieure de 49% par rapport au ressort de référence en Nivaflex<®>. On rappellera qu’un ressort en Nivaflex<®>autant tréfilé donnerait des résultats encore moins bons que le ressort de référence. De plus, le couple fourni (valeurs théoriques, calculées par modélisation) est encore meilleur que lors des tests obtenus avec un fil de diamètre 0.55 mm, avec une plus grande stabilité lors du désarmage.

[0025] En outre, ce fil présente encore un allongement à la rupture de 5.9%, il est donc probable qu’il puisse être tréfilé davantage, améliorant ainsi encore sa résistance à la rupture.

[0026] La fig. 1 représente les courbes de la force de traction appliquée (en MPa) en fonction de l’allongement relatif. La chute brutale de la force appliquée correspond à la rupture de la lame. La courbe a correspond à un fil de Nivaflex<®> de diamètre 0.55 mm (75% d’écrouissage), la courbe b correspond à un fil d’acier 1.4452 de diamètre 0.55 mm (82% d’écrouissage) et la courbe c correspond à un fil d’acier 1.4452 de diamètre 0.18 mm (98% d’écrouissage).

[0027] Avec les ressorts obtenus, il a également été procédé à des tests de fatigue. Pour ce faire, on arme et désarme successivement le ressort entre 10% et 90% de sa réserve de marche, jusqu’à la rupture du ressort. Les résultats suivants ont été obtenus. <tb><sep>Nivaflex M0.5 à 8.40mNm<sep>Acier 1.4452 M0.5 à 8.25 mNm <tb>Coquillons Ø 2.40 mm<sep>1269 cycles<sep>2047 cycles (+61%)

[0028] On peut donc constater une très importante amélioration de la résistance à la fatigue des ressorts à la répétition des armages et des désarmages.

[0029] Des essais de coquillonnage ont été réalisés afin d’améliorer ce point. Le coquillonnage consiste à réaliser le coquillon, c’est-à-dire l’extrémité intérieure du ressort moteur, pliée en forme d’anneau, qui est destinée à être accrochée à l’arbre de barillet. Aujourd’hui, toute la littérature et l’expérience impose une limite au niveau du rapport entre le diamètre de l’arbre de barillet et l’épaisseur de la lame formant le ressort. Ce rapport est en principe inférieur à 20. En d’autres termes, l’anneau formé par le coquillon ne doit pas être trop petit par rapport à l’épaisseur de la lame ressort. La limite retenue actuellement est basée sur la ductilité du Nivaflex<®>, étant donné que la quasi exclusivité des ressorts de barillet sont réalisés dans ce matériau. Grâce à une meilleure ductilité, l’acier 1.4452 permet de réduire ce rapport.

[0030] Des essais ont été réalisés avec un rapport de 12 fois, entre le diamètre de l’arbre de barillet et l’épaisseur de la lame formant le ressort. Dans le cas testé, la diminution de ce rapport se traduit concrètement par une diminution du diamètre de l’arbre de barillet de 2.40 mm à 1.35 mm.

[0031] Les fig. 3a et 3b montrent respectivement des ressorts en Nivaflex® et en acier 1.4452 avec un coquillon réalisé avec un rapport de 12 entre le diamètre de l’arbre de barillet sur lequel le ressort est destiné à être monté (ce diamètre correspond sensiblement au diamètre intérieur de l’anneau formé par le coquillon), et l’épaisseur de la lame ressort. On peut voir sur la fig. 3aque la ductilité du Nivaflex® ne permet pas d’obtenir un coquillon parfaitement circulaire à cette dimension. La forme elliptique favorise la rupture de la lame au niveau du coquillon. Au contraire, la fig. 3b illustre la possibilité d’obtenir un coquillon présentant une forme circulaire satisfaisante. Ainsi, malgré le rapport entre le diamètre de l’arbre et l’épaisseur de la lame ressort, le risque de casse n’est pas accru.

[0032] Des tests supplémentaires ont été réalisés. La fig. 2 illustre des mesures du couple fourni à M0.5 et M4.8. Elles ont été réalisées avec des ressorts obtenus par des traitements thermiques à des températures différentes. Les courbes a et b, obtenues avec du Nivaflex<®>respectivement à des couples M0.5 et M4.8, sont relativement plus pentues que les courbes c et d obtenues avec de l’acier 1.4452, respectivement à des couples M0.5 et M4.8. La diminution de l’écart M0.5-M4.8 est de 5% par rapport au Nivaflex<®>, ceci entraînant un différentiel de pente de 25%. Les essais effectués à des températures différentes permettent de constater que, au-delà d’un certain domaine illustré sur le graphique, les ressorts obtenus ne sont pas satisfaisants, soit parce que trop cassants ou parce que pas assez élastiques. On peut donc voir que l’acier 1.4452 offre une plage de température de travail beaucoup plus grande que celle offerte par le Nivaflex<®>. En outre, l’acier 1.4452 peut être travaillé à des températures inférieures, ce qui permet de diminuer l’énergie consommée pour son traitement. En outre, la gamme de température et la pente des courbes obtenues avec l’acier 1.4452 permet une définition plus simple du couple recherché. En effet, on constate que, pour une même tolérance, la maîtrise de la température est moins stricte pour obtenir un couple précis.

[0033] Concrètement, toutes ces améliorations donnent la possibilité, pour un barillet de 11.50 mm de diamètre avec une lame de 1.18 × 0.115 × 455 mm, selon l’exemple testé, de passer d’une réserve de marche de 48 heures pour un mouvement donné, à une réserve de marche de 66.3 heures pour le même mouvement, soit une augmentation de 38%.

[0034] Ainsi, les essais effectués montrent un très net avantage à réaliser des ressorts de barillet en acier 1.4452. Les valeurs de tests données ci-dessus ne sont que des illustrations non limitatives. Ainsi, grâce aux qualités élastiques du matériau, qui viennent s’ajouter à ses qualités de résistance à l’oxydation et d’amagnétisme, l’amélioration apportée à des ressorts de barillet est notable. En remplaçant des barillets avec des ressorts en Nivaflex<®> dans des mouvements existants, par des barillets avec des ressorts en acier 1.4452 avec un arbre adapté aux nouvelle géométrie du coquillon, on peut attendre une augmentation de la réserve de marche supérieure à 30%, ce qui est considérable, d’autant que seul le changement du barillet est à envisager, sans autre modification sur le mouvement, étant donné que cette amélioration se fait à couple constant et à dimension externe de barillet constante.

[0035] La description ci-dessus n’est pas limitative. Ainsi, les avantages illustrés ci-dessus peuvent être transposés à d’autres ressorts utilisés en mécanique ou en micromécanique. Grâce aux qualités d’un ressort en acier 1.4452, une miniaturisation des systèmes élastiques utilisés jusqu’alors peut être effectuée, permettant de réduire la taille du dispositif intégrant ces systèmes.

[0036] On pourra ajouter que l’intérêt suscité par ces améliorations est encore renforcé par la facilité de mise en œuvre de cet alliage, qui permet une optimisation des coûts de fabrication.

Claims (9)

1. Ressort caractérisé en ce qu’il est réalisé en un alliage de composition massique suivante: <tb>–<sep>carbone: de 0.1% à 1%, <tb>–<sep>manganèse: de 5% à 25%, <tb>–<sep>chrome: de 16% à 20%, <tb>–<sep>azote: de 0.1 à 5%, <tb>–<sep>niobium: ≤ 0.25%, <tb>–<sep>molybdène: de 2.5% à 4.2%, <tb>–<sep>fer: le solde.

2. Ressort selon la revendication 1, caractérisé en ce que l’alliage contient moins de 0.15% de carbone.

3. Ressort selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’alliage contient entre 0.75% et 1% d’azote.

4. Ressort selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’alliage contient entre 12% et 16% de manganèse.

5. Ressort selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu’il s’agit d’un ressort de barillet.

6. Ressort selon la revendication 5, caractérisé en ce qu’il présente un rapport diamètre intérieur de coquillon/épaisseur de lame inférieur à 20.

7. Ressort selon la revendication 6, caractérisé en ce qu’il présente un rapport diamètre intérieur de coquillon/épaisseur de lame inférieur à 12.

8. Barillet muni d’un ressort selon l’une des revendications 5 à 7.

9. Pièce d’horlogerie munie d’un barillet selon la revendication 8.