Domaine technique
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La présente invention se rapporte au domaine de l'horlogerie. Elle concerne plus particulièrement un balancier de mouvement horloger mécanique et son procédé de fabrication.
Etat de la technique
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Dans un mouvement horloger, le balancier est un élément très important pour atteindre une bonne marche, c'est-à-dire une bonne précision du mouvement. Au sens de la présente demande, le terme balancier correspond à l'assemblage de plusieurs composants :
- un arbre qui comprend à ses extrémités, des pivots qui vont travailler avec des paliers montés dans le bâti du mouvement; l'arbre comporte également un certain nombre de portées et d'épaulements pour recevoir et positionner les autres composants ci-après ;
- un élément inertiel formé par une serge montée sur l'arbre par un moyeu, relié à la serge par des bras ;
- une cheville de plateau recevant et transmettant les impulsions fournies par ou à l'échappement,
- un plateau simple ou double, qui porte la cheville, le plateau double comprenant un niveau supplémentaire avec une encoche pour limiter les mouvements de l'ancre en coopérant avec le dard.
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Dans le jargon horloger, cet ensemble est couramment appelé balancier monté, car les différents éléments sont réalisés séparément et assemblés.
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Pour avoir des oscillations aussi régulières que possible, et des interactions optimales avec l'échappement, chaque composant doit être aussi parfait que possible, dans ses cotes, son équilibrage et son centrage. Les géométries, les matériaux et les procédés de fabrication utilisés à l'heure actuelle de manière industrielle, sont le résultat de l'expérience accumulée au cours de l'histoire de l'horlogerie.
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Pour des questions de précision et d'efficacité, le décolletage est largement utilisé. Ainsi, les arbres sont décolletés, puis roulés pour réaliser les pivots, les éléments inertiels et les plateaux sont également décolletés. Les chevilles sont réalisées à part, en rubis, et sont plantées dans le plateau. Les différentes étapes d'assemblage sont délicates et la précision finale dépend notamment du respect des cotes des portées sur lesquelles les éléments sont disposés, de l'ajustement des ouvertures pour le montage sur l'arbre. Au final, il est difficile d'avoir un positionnement géométrique parfait et garanti des différents éléments disposés sur l'arbre ou de la cheville sur le plateau, ce qui peut entrainer une variabilité dans l'interaction entre le balancier monté et l'échappement et en tout cas, nécessite des contrôles particulièrement pointus.
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Les fabrications séparées des différents éléments permettent d'ailleurs d'avoir des matériaux différenciés, en fonction des spécificités requises pour chaque composant : dur ou durcissable pour l'arbre et les pivots, plus lourd pour l'élément inertiel...
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Il a déjà été proposé de réaliser de manière monobloc des ensembles de certains composants du balancier. Par exemple, le document
FR2050375B1 propose de réaliser le plateau et l'élément inertiel en une seule pièce, moulée en plastique. Cette pièce est ensuite assemblée sur l'axe. L'utilisation de matière plastique n'est toutefois pas compatible avec les standards actuels de l'horlogerie mécanique.
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Le document
EP2791737 propose de surmouler les différents composants, pour avoir une peau extérieure, en l'occurrence en plastique. Toutefois, les composants constitutifs sont toujours fabriqués séparément, dans des matériaux différents.
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La présente invention a pour but de proposer un nouveau balancier, qui permet de s'affranchir au moins partiellement des contraintes d'assemblage liées aux procédés de fabrication de l'art antérieur.
Divulguation de l'invention
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De façon plus précise, l'invention concerne un balancier, comprenant un arbre et, solidaires de l'arbre, un élément inertiel, un plateau et une cheville de plateau. Selon l'invention, l'arbre et au moins deux composants parmi l'élément inertiel, le plateau et la cheville de plateau, sont fabriqués en une pièce venue de matière. Autrement dit, l'arbre et au moins deux composants parmi l'élément inertiel, le plateau et la cheville de plateau, sont fabriqués en une pièce venue d'une même matière ou sont fabriqués en une pièce d'un seul tenant. En d'autres termes, l'arbre est venu d'une pièce avec au moins deux composants parmi l'élément inertiel, le plateau et la cheville de plateau.
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L'invention concerne également un ensemble d'éléments destinés à former une partie d'un balancier et leur procédé de fabrication, tels que définis dans les revendications.
Brève description des dessins
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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 :
- les figures 1 à 4 illustrent des opérations d'usinage, tangentielles (figures 1 et 2) ou en bout (figures 3 et 4),
- la figure 5 est une vue isométrique d'un premier mode de réalisation dans lequel l'arbre, le plateau et la cheville sont réalisés en une pièce monobloc,
- la figure 6 est une vue isométrique avec un autre angle de vue, du mode de réalisation de la figure 5, et
- la figure 7 est une vue isométrique d'un deuxième mode de réalisation dans lequel l'arbre, le plateau et l'élément inertiel sont réalisés en une pièce monobloc.
Mode de réalisation de l'invention
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De manière traditionnelle, un balancier d'horlogerie monté comprend un arbre, et agencés sur l'arbre, un élément inertiel (également appelé serge), un plateau simple ou double et une cheville de plateau (fixée dans le plateau et donc indirectement agencée sur l'arbre). L'invention propose de réaliser en une seule pièce, c'est-à-dire de manière monobloc, l'arbre 10 et au moins deux composants parmi l'élément inertiel 12, le plateau 14 simple ou double de préférence, et la cheville de plateau 16. Dans la présente demande, on adopte la terminologie de balancier pour désigner l'organe fonctionnel correspondant au balancier monté, c'est-à-dire comprenant l'arbre, l'élément inertiel, le plateau et la cheville. Il faut lui ajouter le spiral pour avoir le résonateur complet.
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On notera que pour alléger le texte et vu la simplicité des éléments précédemment identifiés, la numérotation ne sera pas systématique.
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Par fabrication monobloc, on entend que les composants sont venus de matière ou, autrement formulé, qu'ils présentent une continuité de matière. On passe donc d'un composant à un autre en conservant une homogénéité de la matière. On n'a donc pas d'assemblage, de soudage ou d'autre opération de liaison de pièces dissociées, mais directement une fabrication en une pièce, à partir d'un bloc de matière usiné. Ainsi, la notion même de composant ou d'élément du balancier monté, perd son interprétation structurelle, pour ne conserver que son interprétation fonctionnelle. En effet, selon l'invention, ceux qui, parmi l'arbre, l'élément inertiel, le plateau et la cheville de plateau, sont réalisés en une seule pièce monobloc, ne forment plus structurellement qu'un seul composant. Pour des questions de clarté, on parlera dans le présent document de pièce monobloc. Au sens de la présente invention, on conservera le sens fonctionnel des différents éléments fonctionnels, correspondant aux composants traditionnels, pour l'arbre, l'élément inertiel, le plateau simple ou double et la cheville de plateau, même lorsqu'ils sont structurellement monobloc avec d'autres composants.
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Ainsi, comme on va le détailler par la suite, on pourra réaliser en une pièce monobloc :
- l'arbre 10, l'élément inertiel 12, le plateau 14 et la cheville de plateau 16, ou
- l'arbre 10, l'élément inertiel 12 et le plateau 14, ou
- l'arbre 10, le plateau 14 et la cheville de plateau 16.
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Des méthodes d'usinage actuellement disponibles permettent de réaliser les formes requises pour fabriquer les pièces monoblocs, telles que mentionnées ci-dessus, typiquement à partir d'un barreau, qui peut être mis en rotation comme pour un décolletage. On peut combiner, selon les portions à usiner, des phases d'usinage avec le barreau en rotation et des phases d'usinage du barreau sans rotation. Alternativement, on peut réaliser une ébauche de la pièce monobloc par usinage, puis une étape de finition. Une ébauche est une préforme grossière de la pièce à fabriquer, à partir de laquelle on peut obtenir la pièce terminée par une succession d'opérations d'enlèvement de matière.
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De manière non exhaustive, les méthodes d'usinage utilisables sont les suivantes, seules ou en combinaison :
- laser (notamment à impulsions ultrabrèves, de type femto laser ou pico laser),
- fraisage,
- tournage,
- décolletage,
- électroérosion à fil (EDM).
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Selon les techniques d'usinage utilisées, l'ablation peut être tangentielle (intérieure ou extérieure), comme par exemple pour du décolletage, du tournage ou de l'usinage laser ou par EDM. Comme on peut le voir sur la figure 1, un usinage tangentiel avec la barre ou l'ébauche en rotation, permet de réaliser des formes de révolution, particulièrement des formes circulaires de l'arbre, avec ses portées pour recevoir le spiral, ou l'élément inertiel s'il est rapporté.
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Comme on peut le voir sur la figure 2, un usinage tangentiel avec la barre ou l'ébauche fixe, permet de réaliser des enlèvements de matière transversaux.
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Les figures 3 et 4 représentent des opérations d'ablation axiale, c'est-à-dire parallèlement à l'arbre du balancier ou au futur arbre du balancier, autrement dit parallèlement à la barre ou à l'axe de l'organe de préhension de la machine-outil. Cette opération peut être réalisée, par exemple avec du fraisage ou par usinage laser, avec un contrôle dimensionnel de la profondeur d'usinage (figure 3) ou avec un usinage traversant (figure 4). Dans ce dernier cas, des passes successives peuvent être réalisées afin d'obtenir un résultat débouchant. Une variation de la durée d'impulsions, du nombre de pulses, du taux de répétition peut être envisagée selon l'effet recherché (taux d'ablation plus ou moins fort, état de surface plus ou moins rugueux/lisse ...).
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On pourra choisir, par exemple, parmi les matériaux suivants, pour réaliser l'ensemble monobloc de composants formant le balancier (l'arbre 10, l'élément inertiel 12, le plateau 14 et la cheville de plateau 16), ou une partie du balancier (l'arbre 10, l'élément inertiel 12 et le plateau 14, ou l'arbre 10, le plateau 14 et la cheville de plateau 16) :
- Céramiques comprenant des, ou consistant en des, oxydes (par exemple, Oxyde de zirconium, Oxyde d'aluminium),
- Céramiques non oxydes ou exemptes d'oxydes (par exemple, Carbure de tungstène, Nitrure de silicium),
- Inox austénitique durci,
- CuBe (Cuproberyllium),
- Aciers au Carbone,
- BMG (verres métalliques),
- Diamant synthétique,
- Verres SiOx,
- Alliages métalliques à base or, platine, palladium ou argent,
- Alliages ternaire composé majoritairement de métaux précieux (or, argent, platine et/ou palladium), comme l'isoplus et les alliages divulgués dans le brevet EP3743538 (par exemple 41% Pd, 38% Ag, 20% Cu, 0.5% Pt, 0.5% Zn),
- des alliages de Titane, de type Grade 2 ou 5.
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Par alliage métallique à base d'un métal X, il s'entend que le métal X constitue plus de 50% en masse de l'alliage.
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Le cas échéant, on peut appliquer un revêtement sur tout ou partie de la pièce monobloc, après une étape de finition ou directement après l'étape d'usinage. Par exemple, un revêtement de diamant ou de type DLC (diamond like carbon), peut être appliqué sur la cheville. La présence d'un revêtement ne remet pas en cause le caractère monobloc de la pièce, qui est déterminé par le fait que l'on a une continuité de matière entre les différents éléments fonctionnels. Par étape ou opération de finition, on peut mentionner des traitements de surface, polissages, roulage, tribofinition et également des opérations de décor, comme un sablage ou un microbillage...
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On peut également envisager de réaliser une partie de la pièce monobloc aux cotes ou dans un état final, et de n'appliquer une finition ou un revêtement que sur une partie de la pièce monobloc. Une partie peut ou non correspondre à un élément fonctionnel du balancier. Par exemple, on peut appliquer une finition sur certains côtés seulement de la serge, et pas sur les bras, ou polir les pivots de l'arbre mais pas toute la surface de l'arbre.
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On peut également réaliser une ébauche de pièce par des techniques d'usinage conventionnelles, comme du fraisage, du décolletage, du tournage, de l'usinage laser pulsé, par exemple de type nano laser, de la déformation plastique, du découpage/emboutissage, et avoir une mise en forme finale par laser femto ou pico ou par EDM.
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Les ébauches peuvent également être réalisées en MIM (metal injection molding) ou par fabrication additive, ou par thermoformage, par exemple dans le cas d'un BMG.
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Ainsi, dans une première variante illustrée sur la figure 5, l'arbre 10, le plateau 14 et la cheville de plateau 16 sont fabriqués en une pièce monobloc. L'élément inertiel est rapporté 12. Dans cet exemple, on peut partir d'une barre de la matière choisie ou directement d'une ébauche.
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Bien entendu, la fabrication de l'arbre implique la fabrication de portées qui restent nécessaires, dans ce mode de réalisation, pour le positionnement de l'élément inertiel et pour le positionnement du ressort spiral. Cela peut être réalisé par un usinage tangentiel avec la barre ou l'ébauche en rotation. On réalise également le plateau simple ou double par usinage de la barre ou de l'ébauche.
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On peut combiner un usinage en bout pour réaliser une forme qui ne soit pas de révolution, qui permette un assemblage indexé angulairement et/ou solidaire en rotation, de l'élément inertiel ou du spiral par exemple, si ces derniers présentent une contreforme correspondante.
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Parmi les matières avantageuses pour réaliser un balancier dans lequel l'arbre 10, le plateau 14 et la cheville de plateau 16 sont fabriqués en une pièce monobloc, on peut mentionner : des céramiques de type Si3N4, SiC, ZrO2, BN, WC avantageusement avec un liant à base de nickel, des verres métalliques (BMG). Le matériau choisi peut avantageusement être adapté à la technique d'usinage choisie. En effet, un WC avec un liant à base de nickel est notamment adapté pour un usinage par électroérosion à fil (EDM).
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Les interactions entre la cheville de plateau et l'échappement demandent une attention particulière à l'usinage de la cheville de plateau 16. Cette dernière peut être réalisée par usinage laser, en bout de barre ou d'ébauche, par précessions. On aura bien entendu usiné le plateau avec une épaisseur suffisante, c'est-à-dire plus grande que son épaisseur finale, pour permettre d'usiner la cheville de plateau dans l'épaisseur du plateau dans son état intermédiaire, le plateau étant ramené à sa cote finale du côté de la cheville 16, en usinant cette dernière. De manière avantageuse, les surfaces fonctionnelles de la cheville, c'est-à-dire destinées à coopérer avec l'échappement, peuvent être mises en forme en ménageant une rainure 18 traversante dans le plateau 14 (figure 5). Ainsi, on peut s'affranchir des limitations de puissance que l'on aurait pour un usinage laser, si on devait usiner la cheville en laissant intact le plateau. Les surfaces de travail 20 ainsi obtenues sont de meilleure qualité. Les surfaces non fonctionnelles 22 peuvent être usinées de manière non traversante pour conserver une liaison rigide entre le plateau et la cheville. De manière avantageuse, l'usinage direct de la cheville de manière monobloc avec l'arbre, permet de définir parfaitement les surfaces de travail 20 de la cheville et d'assurer leur parallélisme avec l'arbre, ce qui est optimal pour leur travail avec l'échappement.
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Dans le cas d'un double plateau, on peut réaliser l'encoche 24 par usinage laser en bout, parallèlement à l'arbre de balancier, avec contrôle de la profondeur pour ne pas traverser le plateau de cheville. Les enlèvements de matière résiduelle du côté de la cheville se font par usinage en bout, par laser particulièrement.
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Dans un mode de réalisation préférentiel, les surfaces fonctionnelles des pivots et les portées sont réalisées par usinage tangentiel par précession, avec la barre ou l'ébauche en rotation. Cet usinage peut être réalisé par laser ou par EDM.
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De manière optionnelle, on peut ensuite réaliser un système de rivetage de l'élément inertiel, par exemple avantageusement par création de structures de sertissage, sur la portée 26, en particulier sur le dessus de la portée 26, destinée à recevoir l'élément inertiel. Les structures de sertissage peuvent être des grains 28 avantageusement obtenus en réalisant des rainures sur le dessus de la portée 26. Entre les intersections des rainures, on laisse subsister des grains 28 déformables plastiquement. On peut également former des languettes pour former les structures de sertissage. Les rainures peuvent être réalisées par usinage laser tangentiel, la barre ou l'ébauche de balancier n'étant pas entraînée en rotation. Une géométrie conventionnelle, par une piqure concave réalisée par usinage en bout, est également envisageable pour un sertissage de l'élément inertiel.
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Dans cette variante, l'élément inertiel fabriqué séparément, est rapporté sur l'ensemble formé par l'arbre 10, le plateau 14 et la cheville 16. Avantageusement, l'élément inertiel est assemblé par rivetage des grains formés comme décrit ci-dessus. D'autres techniques d'assemblage de l'élément inertiel peuvent être utilisées, comme un brasage, un chassage et/ou un collage par exemple.
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Dans une deuxième variante illustrée sur la figure 7, l'arbre 10, l'élément inertiel 12 et le plateau 14 sont fabriqués en une pièce monobloc, tandis que la cheville est rapportée.
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S'il est possible de partir d'une barre aussi pour cette variante, on privilégiera de partir d'une ébauche, afin de limiter la quantité de matière à enlever, particulièrement pour la réalisation de l'élément inertiel 12. L'ébauche peut ainsi être avantageusement obtenue par moulage céramique ou BMG, par fabrication additive pour de l'acier ou de la céramique. L'ébauche peut encore être obtenue par usinage traditionnel ou par un usinage laser grossier (laser nanoseconde par exemple), même si la quantité de matière à ablater n'est pas optimale.
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Parmi les matières que l'on peut utiliser, on peut mentionner les matières déjà citées, avec un avantage à utiliser les matériaux à faible densité, pour ne pas trop alourdir le balancier. Ainsi, les céramiques susmentionnées, sont avantageuses, ainsi que les alliages de Titane, de type Grade 2 ou Grade 5 préférentiellement.
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Concernant les techniques d'usinage que l'on peut utiliser, on pourra avantageusement effectuer des usinages laser de la barre ou de l'ébauche, avec les 3 modes d'utilisation suivants :
- en tangentiel, avec la barre ou l'ébauche en rotation, pour générer les portées, les pivots et l'extérieur de l'élément inertiel,
- en tangentiel, la barre ou l'ébauche arrêtée, pour générer certaines formes, comme l'encoche du plateau, on notera que cette dernière peut également être usinée en bout,
- en bout, avec le faisceau du laser coaxial à l'arbre du balancier (ou du futur arbre), la barre ou l'ébauche étant arrêtée, pour générer la surface fonctionnelle d'une ouverture 26 dans le plateau pour l'insertion de la cheville rapportée (figure 4), ou pour les étapes de finition des bras de la serge.
Dans ce mode de réalisation, la cheville de plateau est fabriquée séparément et rapportée dans l'ouverture 26 ménagée dans le plateau. La cheville peut être en rubis, chassée et/ou collée dans l'ouverture.
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Dans une variante supplémentaire, l'arbre 10, l'élément inertiel 12, le plateau 14 et la cheville de plateau 16, sont fabriqués en une pièce monobloc. Pour fabriquer les quatre éléments fonctionnels en une seule pièce, le carbure de tungstène présente une combinaison de propriétés intéressantes, avec une densité de 15.6, qui permet de réaliser un élément inertiel avec une masse suffisante et donc un moment d'inertie adapté aux besoins horlogers, et également une dureté de 2600 HV, adéquate pour réaliser la cheville. Un revêtement, par exemple de diamant ou de type DLC, peut être appliqué sur la cheville. Dans cette variante, on combinera les étapes de fabrication mentionnées pour les deux modes de réalisation ci-dessus, pour usiner la cheville de manière monobloc avec le plateau, comme dans le premier mode de réalisation, ainsi que l'élément inertiel, comme dans le deuxième mode de réalisation, avec le plateau et l'arbre.
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Dans une variante qui peut être combinée avec le deuxième et le troisième modes de réalisation ci-dessus, dans lesquels l'élément inertiel est fabriqué de manière monobloc avec l'arbre et le plateau (voire avec la cheville dans le troisième mode de réalisation), l'étape de fabrication comprend une étape de mesure du balourd et/ou de l'inertie du balancier, et une étape de correction ou d'ajustement des dimensions de l'élément inertiel. Ceci peut être effectué dans une approche statique ou dynamique.
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Ainsi l'invention propose de s'affranchir au moins partiellement des difficultés et erreurs d'assemblage des composants qui forment habituellement un balancier monté, en fabriquant de manière monobloc, au moins trois (dont l'arbre) voire quatre, des éléments fonctionnels, c'est-à-dire l'arbre 10, l'élément inertiel 12, le plateau 14 et la cheville de plateau 16.