CH714551B1 - Procédé de lubrification d'un mécanisme horloger. - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé de lubrification d'un mécanisme horloger comportant une étape d'application d'une graisse comprenant des particules de PTFE dispersées dans une huile de base, la graisse présentant une charge de PTFE ajustée par rapport à la surface spécifique des particules de manière à obtenir une graisse présentant un grade compris entre 3 et 1, de préférence un grade 2 selon l'échelle NLGI (National Lubricating Grease Institute).

Description

Domaine technique

[0001] La présente invention se rapporte au domaine de l'horlogerie, notamment de l'horlogerie mécanique ou électromécanique.

[0002] Dans le domaine des montres mécaniques ou électromécaniques, les mécanismes en fonction nécessitent d'être lubrifiés pour assurer de bonnes conditions tribologiques dans les interactions entre les différentes pièces. Ainsi, le rouage, l'échappement, la mise-à-l'heure, le remontage manuel ou automatique, ou encore les différents affichages ou complications nécessitent l'utilisation de lubrifiants.

[0003] Les lubrifiants utilisés doivent toujours répondre aux critères suivants : stabilité chimique : afin de ne pas se décomposer dans le temps ; maintien dans les zones de contact : afin de ne pas être dispersé en cas de choc ou lors du fonctionnement du mécanisme et venir souiller le mouvement ; maintien de la performance mécanique : la répétition des sollicitations ne doit pas avoir d'incidence (aussi faible que possible) sur le comportement du lubrifiant.

[0004] Ces critères sont très délicats à réunir. Face aux variétés de conditions de vitesses et de pressions présentes dans les différentes fonctions, les horlogers utilisent des lubrifiants spécifiques avec leurs qualités propres pour l'échappement (haute vitesse de contact), le remontage (forte pression), les pivots du train de rouages, .... L'homme du métier connait notamment des difficultés de rendement et des contraintes d'épilamage, pour la lubrification de l'échappement.

[0005] De manière traditionnelle, les palettes sont fabriquées en rubis, tandis que la roue d'échappement est en acier. L'optimisation des conditions tribologiques entre les palettes de l'ancre et la roue d'échappement conduit à lubrifier les zones de contact entre elles.

[0006] Cette lubrification est délicate et complexe, et fait l'objet de beaucoup de recherches, de savoir-faire et d'innovation. En effet, les vitesses de déplacement relatif entre les palettes et les dents de la roue d'échappement sont élevées, de l'ordre de 70mm/s pendant la phase d'impulsion, et le lubrifiant utilisé doit donc présenter une viscosité adaptée pour être efficace à ces vitesses.

[0007] Les lubrifiants répondant à ce cahier des charges sont généralement assez fluides. Pour être efficace, il est impératif de maintenir le lubrifiant utilisé dans la zone de contact en suffisance sans pour autant entraver le déplacement des composants en mouvement. Il doit également rester en place pendant le fonctionnement de l'échappement et en cas de chocs afin de ne pas appauvrir le contact et souiller les composants à l'intérieur du mouvement. Cela est obtenu par l'application d'un épilame qui participe à la complexité générale et globale de la lubrification d'un échappement. En effet, l'épilame forme un film à la surface des palettes de type lipophobe. Il convient de faire fonctionner l'échappement à sec de manière à ce que le contact de la denture de la roue d'échappement soit libre d'épilame, de manière à former une tranchée, dans laquelle l'huile va ensuite être appliquée et contenue, de par les propriétés lipophobes de l'épilame.

[0008] Afin de constituer un réservoir de lubrifiant permettant d'alimenter le contact et de réduire les surfaces de contact, les dents constituant la roue d'échappement peuvent être taillées en biseau.

[0009] Plus récemment, les horlogers ont exploré l'utilisation de Silicium pour réaliser l'ancre et la roue d'échappement, car ce matériau offre, outre une liberté dans la réalisation de géométrie complexe, des coefficients de frottement réduits, notamment pour les interactions Silicium-Silicium. Assez rapidement, l'utilisation de SiO2obtenue par oxydation thermique ou de diamant obtenu par dépôt CVD s'est imposée pour améliorer la résistance mécanique et les propriétés tribologiques. Les horlogers ont longtemps avancé que les composants Silicium ainsi revêtus permettraient de s'affranchir des difficultés de lubrification connues jusqu'alors. Cependant, en pratique, il est généralement constaté que, pour obtenir les niveaux des performances attendus, le recours à une lubrification avec des huiles traditionnelles utilisées pour des échappements acier/rubis est également nécessaire avec un échappement Silicium.

[0010] Cela est d'autant plus contraignant que les pièces produites en Silicium sont plus fragiles que les pièces en Acier, et que les procédés industriels d'épilamage courants ne sont pas applicables aux pièces en silicium. En effet, le recours à un traitement d'épilamage en vrac endommagerait immanquablement les pièces en silicium compte tenu de la fragilité du silicium. Un épilamage pièce à pièce serait fastidieux, coûteux et peu efficace.

[0011] De même la réalisation d'un biseau à l'instar de pièces en acier pour constituer un réservoir, complexifie et augmente les coûts de fabrication des pièces en Silicium.

[0012] Les horlogers ont également exploré l'utilisation de techniques de lithographie connues sous le nom de LIGA pour réaliser l'ancre et la roue d'échappement. Ces techniques permettent de reproduire des formes données avec une grande précision. Les pièces sont réalisées en nickel ou en alliage de nickel, notamment en NiP, par croissance dans des structures définies par lithographie.

[0013] Malgré les formes complexes que le LIGA permet d'obtenir favorisant une optimisation géométrique et des performances théoriques plus importantes, il est néanmoins toujours nécessaire de lubrifier les surfaces des organes de contact de l'échappement, avec une étape d'épilamage et l'application d'une huile de l'art antérieur pour obtenir les performances escomptées et garantir une fiabilité de l'échappement.

[0014] Au-delà des applications à l'échappement, la question de la lubrification est un sujet permanent pour tout mécanisme horloger.

Divulguation de l'invention

[0015] La présente invention a pour but de proposer une méthode de lubrification particulièrement flexible et performante, susceptible d'être mise en oeuvre pour divers mécanismes horlogers. Elle permet d'obtenir des améliorations sensibles en termes de performance et de durabilité.

[0016] De façon plus précise, l'invention concerne un procédé de lubrification tel que proposé dans les revendications.

Brève description des dessins

[0017] 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 : la figure 1 représente des essais comparatifs de performance pour trois mouvements d'un premier calibre, avec différentes configurations de lubrifications, après 24h de rodage, les figures 2a et 2b montrent respectivement, en termes d'amplitude et de rendement, des mesures effectuées pour 10 mouvements d'un second calibre et trois lubrifiants, les figures 3a, 3b et 3c montrent des comparaisons d'amplitude, tandis que les figures 4a, 4b et 4c montrent des comparaisons de rendement, pour 3 lubrifiants, par rapport à un lubrifiant A de référence ; les mesures sont effectuées sur des jeux de mouvements d'un troisième calibre.

Mode de réalisation de l'invention

[0018] Comme expliqué en détails dans l'introduction de la présente demande, la question de la lubrification des mécanismes est un sujet de recherche permanent pour les horlogers. Pour les échappements, les buts poursuivis sont d'améliorer : le rendement des échappements, la stabilité dans le temps des lubrifiants, tant en termes de performance qu'en terme de composition (stabilité chimique), leur mise en oeuvre pour faciliter l'industrialisation de l'étape de lubrification.

[0019] La demanderesse a identifié après de nombreuses recherches, des effets particulièrement intéressants dans l'utilisation de lubrifiants spécifiques, pour lubrifier un échappement.

[0020] L'invention s'applique notamment à un procédé de lubrification d'un mécanisme d'échappement horloger comprenant un mobile destiné à recevoir une force motrice et un organe d'arrêt destiné à coopérer avec le mobile pour bloquer ou laisser libre sa rotation de manière alternative. Le mobile et l'organe d'arrêt présentent respectivement des premiers et deuxièmes organes de contact destinés à coopérer les uns avec les autres.

[0021] Au moins les premiers ou les deuxièmes organes de contact sont réalisés à base de silicium, ou à base de nickel ou d'un alliage de nickel (notamment NiP) par une technologie de type LIGA.

[0022] De manière avantageuse, le mécanisme d'échappement est un mécanisme dit à ancre suisse. Le mobile est une roue d'échappement destinée à être montée pivotante et l'organe d'arrêt est une ancre également destinée à pivoter sur son axe. L'ancre est munie d'une palette d'entrée et d'une palette de sortie, destinées à coopérer avec la denture de la roue d'échappement. Les palettes d'une part, et les dents de la roue d'échappement d'autre part, définissent des organes de contact, puisqu'ils sont destinés à interagir les uns avec les autres, lors des étapes successives de l'échappement. Ce type de mécanisme est bien connu et n'a pas besoin d'être décrit en détails.

[0023] De préférence, l'ancre d'une part, et la roue d'échappement d'autre part sont réalisées en une pièce à base de silicium, éventuellement recouvert par une couche superficielle, par exemple d'oxyde, naturel ou réalisé par une étape d'oxydation. L'homme du métier peut également envisager d'autres revêtements ou traitements de surface sur les organes de contact.

[0024] On peut également envisager d'autres configurations dans lesquelles l'une seulement de l'ancre ou de la roue d'échappement est à base de silicium, ou alors seulement les organes de contact sont à base de silicium.

[0025] En alternative, l'ancre d'une part, et la roue d'échappement d'autre part sont réalisées en une pièce à base de nickel ou d'un alliage de nickel, obtenue par une technologie de type LIGA. Le nickel ou l'alliage de nickel utilisé peut également contenir des additifs de type dopage ou lubrifiant solide (hBN, talc...). L'homme du métier peut également envisager d'autres revêtements ou traitements de surface sur les organes de contact.

[0026] On peut également envisager d'autres configurations dans lesquelles l'une seulement de l'ancre ou de la roue d'échappement est à base de nickel ou d'un alliage de nickel, ou alors seulement les organes de contact sont à base de nickel ou d'un alliage de nickel.

[0027] Selon l'invention, la lubrification de l'échappement est caractérisée en ce qu'elle comporte une étape d'application d'une graisse comprenant des particules de PTFE (polytétrafluoroéthylène) dispersées dans une huile de base, la charge de PTFE étant ajustée par rapport à la surface spécifique des particules de manière à obtenir une graisse présentant un grade compris entre 3 et 1, de préférence un grade 2 selon l'échelle NLGI (National Lubricating Grease Institute).

[0028] De préférence, l'huile de base est de PFPE (Perfluoropolyether). L'application peut être effectuée sans épilamage.

[0029] La figure 1 montre des mesures d'amplitude du balancier. Ces mesures ont été réalisées sur trois mouvements horlogers de même type, avec une géométrie standard de l'ancre et de la roue d'échappement. Le graphique représente les valeurs moyennes des relevés d'amplitude dans 6 positions, à Oh de marche (barillet chargé au maximum hors bride glissante) après un rodage de 24h, mesurées pour chaque mouvement. Un trait représente, pour chaque lubrifiant, la moyenne des mesures des trois mouvements. Entre chaque lubrifiant, les mouvements sont démontés et dégraissés, puis lubrifiés avec le lubrifiant suivant.

[0030] La mesure de référence est un échappement standard, avec une roue d'échappement en acier (avec dents biseautées) et des palettes d'ancre en rubis, épilamées et lubrifiées selon les méthodes de l'état de la technique. Les 7 mesures suivantes concernent des échappements en silicium, aux géométries identiques à l'échappement standard de référence mais sans biseau sur les dents de la roue d'échappement. La 1<ère>mesure correspond à un fonctionnement à sec, sans lubrification. La mesure A correspond à une lubrification selon l'état de la technique, c'est-à-dire avec épilamage et lubrification comme dans l'échappement de référence.

[0031] La mesure B concerne la graisse utilisée selon le procédé de l'invention. Les mesures C à F concernent différents types de lubrifiants testés, avec ou sans épilame, selon la consistance et l'écoulement de la graisse.

[0032] On constate que la graisse B permet d'obtenir des rendements supérieurs aux autres solutions, avec une amélioration significative de 24° par rapport à la référence, et d'au moins 22° par rapport aux alternatives testées. De plus, ce niveau de performance est obtenu sans application d'épilame et avec une géométrie des dents de la roue d'échappement simplifiée (sans biseau), ce qui représente un avantage industriel.

[0033] Sur la figure 2, les performances d'autres lubrifiants ont été étudiées sur un échappement avec une ancre et une roue d'ancre en NiP dont les dents ne sont pas biseautées. 10 mouvements d'un second calibre (différent de celui utilisé sur la figure 1) ont été utilisés pour les mesures. Le graphique représente les valeurs moyennes des relevés d'amplitude (fig. 2a) dans 6 positions, à 0h de marche (barillet chargé au maximum hors bride glissante) après un rodage de 24h, et les rendements (fig. 2b) mesurés pour chaque mouvement, en position horizontal bas. Un trait représente, pour chaque lubrifiant, la moyenne des mesures des différents mouvements. Entre chaque lubrifiant, les mouvements sont démontés et dégraissés, puis lubrifiés avec le lubrifiant suivant. Le lubrifiant A est un lubrifiant de référence de l'état de la technique, B est le lubrifiant selon l'invention et C est un autre lubrifiant testé.

[0034] On constate un gain d'amplitude de 25° et un gain de 9 points de rendement en position horizontale bas, pour la graisse selon l'invention par rapport à la référence.

[0035] Sur la figure 3, d'autres lubrifiants ont été étudiés sur un échappement avec une ancre et une roue d'ancre en NiP dont les dents ne sont pas biseautées, sur des séries de mouvements d'un même calibre d'un deuxième type. Le graphique représente les valeurs moyennes des relevés d'amplitude dans 6 positions, à Oh de marche (barillet chargé au maximum hors bride glissante) après un rodage de 24h. Un trait représente, pour chaque lubrifiant, la moyenne des mesures des différents mouvements. Pour chaque comparaison, les mesures sont effectuées sur des lots différents, c'est pourquoi, les résultats sont présentés 2 à 2 et non tous sur un même graphique. Le lubrifiant A est un lubrifiant de référence de l'état de la technique reconnu pour ses performances, B est le lubrifiant selon l'invention et G et H sont des autres lubrifiants testés.

[0036] Un gain d'amplitude de 16° a été constaté pour la graisse selon l'invention par rapport à la référence, ce qui est une amélioration significative par rapport aux amplitudes obtenues avec G et H.

[0037] Sur la figure 4, les rendements correspondant ont été représentés aux amplitudes mesurées à la figure 3.

[0038] Un gain de rendement de 6 points est constaté, soit 13,9% pour la graisse selon l'invention par rapport à la référence, ce qui est une amélioration significative par rapport aux rendements obtenus avec G et H.

[0039] Les améliorations obtenues sont considérables (entre 6 et 9 points de rendement) par rapport aux optimisations faibles généralement constatées, qui sont de l'ordre de celles obtenues avec les autres lubrifiants testés (entre 0 fréquemment et 3 points pour un seul lubrifiant).

[0040] En termes de composition, différentes graisses de la famille ci-dessus ont été testées, avec des résultats comparables. Ainsi, l'huile de base (PFPE) peut présenter une viscosité mesurée à 40°C, comprise entre 15 et 330 cSt, de préférence entre 18 et 310 cSt. Les particules de PTFE dispersées dans l'huile de base sont submicroniques et la densité peut être ajustée par l'homme du métier, de manière à obtenir une graisse qui, au final, présente un grade compris entre 3 et 1, de préférence un grade 2. En pratique, la charge de PTFE est ajustée par rapport à la surface spécifique des particules en fonction du grade visé. Typiquement, les particules présentent une taille comprise entre 20nm et 1.2µm. De manière avantageuse, la taille est comprise entre 50nm et 1µm.

[0041] Ce grade correspond à une graisse assez visqueuse, qualifiée selon le tableau NLGI (National Lubricating Grease Institute) ci-dessous.

NLGI consistency numbers

[0042] 000 445-475 fluid cooking oil 00 400-430 semi-fluid apple sauce 0 355-385 very soft brown mustard 1 310-340 soft tomato paste 2 265-295 „normal“ grease peanut butter 3 220-250 firm vegetable shortening 4 175-205 very firm frozen yogurt 5 130-160 hard smooth pate 6 85-115 very hard cheddar cheese

[0043] Ce type de graisse peut être déposé à l'aide d'un pique-huile, utilisé habituellement, ou à l'aide d'autres équipements ou dispensateurs permettant une automatisation au moins partielle de la dispense du lubrifiant sur les surfaces fonctionnelles des organes de contact.

[0044] L'obtention de ce niveau de performance pour une graisse de cette viscosité est particulièrement surprenante. En effet, eu égard aux vitesses de déplacement relatif des organes de contact, l'utilisation d'une graisse n'est a priori pas indiquée, car sa réponse à une sollicitation en cisaillement, telle que subie lors d'un contact à l'échappement, n'est pas suffisamment rapide. Cependant, on a constaté que la résistance mécanique de ce type de graisse chute brutalement lorsqu'elle est soumise à une contrainte en cisaillement, en d'autres termes, elle se fluidifie rapidement lors des frottements subis en fonctionnement. D'autre part, le seuil d'écoulement revenant également rapidement à son niveau normal après la fin de l'application d'une contrainte mécanique, la graisse reste avantageusement en place sur les organes de contact, malgré l'absence d'épilame.

[0045] De manière encore plus surprenante, il a été constaté que cette graisse présente des propriétés tout à fait intéressantes et convenables pour lubrifier d'autres mécanismes horlogers, sans limitation à l'échappement, et s'adapte à d'autres interfaces de contact.

[0046] De plus, elle présente des aptitudes au vieillissement et au maintien des conditions mécaniques de fonctionnement de la plupart des mécanismes horlogers.

[0047] Ainsi, des tests effectués sur le vieillissement des crantages de la tige de remontoir, montrent qu'après 5000 cycles de traction/pression, équivalent à 10 ans+ de vieillissement, le lubrifiant selon le procédé de l'invention répond au cahier des charges fixé: variation du couple ≤30%; pas de dégradation des composants ; pas de dégradation de la fonction ; test d'arrachage à 25N (la tige reste en place).

[0048] D'autres lubrifiants classiquement utilisés ne réussissent pas les tests.

[0049] Des tests ont également été effectués sur plusieurs (5) mouvements, sur le vieillissement du système de mise à l'heure, sur 10'000 tours de chaussée, ce qui équivaut à 10ans+ de vieillissement. Après l'équivalent de 3ans, 5ans, 8ans et 10ans, le lubrifiant selon l'invention répond au cahier des charges fixé : variation du couple ≤30%; pas de dégradation des composants ; pas de dégradation de la fonction.

[0050] Sur d'autres lubrifiants testés, il a déjà été constaté après la 1ère année de vieillissement, que 3 mouvements sur 4 ne faisaient plus leur fonction (grippage de la roue de couronne et casse des dents du pignon de remontoir). Un début d'usure a été observé sous la roue de couronne du dernier mouvement.

[0051] Pour un système de remontage automatique, les lubrifiants utilisés classiquement permettent un fonctionnement correspondant à 3millions de tours de la masse oscillante. Les parties en jeu sont les cliquets d'armage sur la roue d'armage (acier-métal cuivreux) et l'excentrique du cliquet (rubis-acier). Avec le lubrifiant selon l'invention, on a pu aller au-delà de 10millions de tours de la masse oscillante, ce qui correspond à une utilisation d'un porteur sportif, pendant 10ans+.

[0052] On constate ainsi que le lubrifiant identifié et sélectionné selon l'invention, présente des capacités réellement extraordinaires et peut être appliqué, non seulement de manière très intéressante à l'échappement, mais également à d'autres mécanismes horlogers, notamment des mécanismes de remontage manuel mettant en oeuvre des contacts acier/acier, ou des contacts acier/ métal cuivreux avec ou sans revêtements galvanique, des mécanismes de remontage automatique mettant en oeuvre des contacts rubis/acier ou métal/métal, des mécanismes de quantième ou des mécanismes de mise à l'heure. Cette liste n'est pas exhaustive.

[0053] Ainsi est proposé un procédé de lubrification d'un mécanisme horloger, s'adaptant à plusieurs mécanismes horlogers, avec des propriétés améliorées en termes de performance, de vieillissement et d'application industrielle.

Claims (9)

1. Procédé de lubrification d'un mécanisme horloger comportant une étape d'application d'une graisse comprenant des particules de PTFE dispersées dans une huile de base, ladite graisse présentant une charge de PTFE ajustée par rapport à la surface spécifique des particules de manière à obtenir une graisse présentant un grade compris entre 3 et 1, de préférence un grade 2, selon l'échelle NLGI du National Lubricating Grease Institute.

2. Procédé de lubrification selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite huile de base est de PFPE.

3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ledit mécanisme horloger est un mécanisme de remontage manuel, mettant en oeuvre des contacts acier-acier ou des contacts acier-métal cuivreux, avec ou sans revêtement galvanique.

4. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ledit mécanisme horloger est un mécanisme de remontage automatique, mettant en oeuvre des contacts rubis-acier ou des contacts métal-métal.

5. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ledit mécanisme horloger est un mécanisme de quantième.

6. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ledit mécanisme horloger est un mécanisme de mise à l'heure.

7. Procédé de lubrification selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que ladite huile de base présente une viscosité mesurée à 40°C comprise entre 15 et 330 cSt, de préférence entre 18 et 310 cSt.

8. Procédé de lubrification selon l'une des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que les particules de PTFE ont une taille comprise entre 30nm et 1.2 µm, de préférence entre 50nm et 1 µm.

9. Procédé de lubrification selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la graisse est appliquée à l'aide d'un pique-huile ou d'un dispensateur automatique.