WO2025219456A1 - Procédé de fabrication d'un composant horloger - Google Patents

Procédé de fabrication d'un composant horloger

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WO2025219456A1
WO2025219456A1 PCT/EP2025/060514 EP2025060514W WO2025219456A1 WO 2025219456 A1 WO2025219456 A1 WO 2025219456A1 EP 2025060514 W EP2025060514 W EP 2025060514W WO 2025219456 A1 WO2025219456 A1 WO 2025219456A1
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rpm
block
watch component
even greater
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PCT/EP2025/060514
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Eric MORANDI
Remo PAVONE
Alexandre NEUKOMM
Fabrice DROZ
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Rolex SA
Original Assignee
Rolex SA
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Publication date
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Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing a watch component. It also relates to a machining device which implements such a manufacturing method.
  • a first existing solution consists of manufacturing a metal watch component by a bar turning process, involving a mechanical cutting tool that acts directly in contact with an initial block, to shape it by removing material.
  • This cutting tool comes into direct contact with the block, unlike laser machining in which a laser beam can act remotely on such a block.
  • Such a process makes it possible to achieve high precision in a rapid and well-controlled manner.
  • the metal has the disadvantage of being sensitive to magnetic fields, which can lead to reliability problems with the running of a watch in certain circumstances of use.
  • the metal is not always sufficiently hard and requires additional operations to increase its hardness, and sometimes improve its surface condition, which ultimately complicates the manufacturing process.
  • the object of the present invention is to propose a solution for manufacturing a watch component which best meets the above-mentioned requirements and improves existing solutions.
  • the invention aims to define a solution for manufacturing a watch component making it possible to simply, reliably and robustly manufacture a watch component with optimized mechanical properties.
  • the invention is based on a method of manufacturing a watch component, comprising the following steps:
  • the step of machining the block uses a spindle on which the block is fixed and driven in rotation, at a speed greater than or equal to 20,000 rpm, or even greater than or equal to 22,000 rpm, or even greater than or equal to 25,000 rpm, or even greater than or equal to 30,000 rpm, or even greater than or equal to 35,000 rpm, or even greater than or equal to 40,000 rpm, while the mechanical cutting tool comes into contact with it to remove material in successive passes, to form a watch component having a symmetry of revolution; or in that - the step of machining the block is carried out by a mechanical cutting tool, such as a milling cutter or a grinding wheel, driven at a rotation speed greater than or equal to 100,000 rpm, or even greater than or equal to 120,000 rpm, or even greater than or equal to 150,000 rpm, or even greater than or equal to 180,000 rpm, which comes into contact with the block, held fixed by a spindle, to remove material.
  • a mechanical cutting tool such
  • the block to be machined can be entirely made of ceramic, preferably a sintered and hardened ceramic.
  • the ceramic can be based on zirconia, in particular yttria-containing zirconia, or based on alumina, based on a zirconia-alumina composite, based on silicon carbide, or based on silicon nitride.
  • the block to be machined may be made of rigid and/or fragile and/or hard material with a hardness greater than or equal to 500 HV, or even greater than or equal to 600 HV, or even greater than or equal to 700 HV, or even greater than or equal to 800 HV, or even greater than or equal to 1000 HV, or even greater than or equal to 1200 HV.
  • the block may be made of metal or metal alloy, including stainless steel, or copper alloy, including beryllium copper (CuBe), or metallic glass.
  • metal or metal alloy including stainless steel, or copper alloy, including beryllium copper (CuBe), or metallic glass.
  • the step of machining the block may be mechanical turning carried out by a turning machine in which the block to be machined is fixed on a spindle and driven in rotation, the turning machine being a single-spindle machine or a multi-spindle machine.
  • the mechanical cutting tool can act on the block to be machined in fine passes allowing chips less than 5 microns thick to be removed during one pass.
  • the mechanical cutting tool may comprise a natural or synthetic diamond, in particular a polycrystalline synthetic diamond.
  • the method of manufacturing a watch component may include a step of finishing the watch component, particularly a tribofinishing step, which modifies by a maximum of 1%, or even a maximum of 0.5%, or even a maximum of 0.1%, the dimension of a cross-section of the watch component resulting from the step of machining the block.
  • the step of machining the block can make it possible to achieve the final geometry of the watch component, or the final dimension of at least one functional portion of the watch component, or a part of the final dimension of at least one functional portion of the watch component different by less than 1%, or even less than 0.5%, or even less than 0.1%, from the final dimension of the at least one functional portion of the watch component.
  • the manufacturing process of a watch component can form at least one functional portion of the watch component with a roughness Ra less than or equal to 0.5 pm, or even less than or equal to 0.1 pm, or even less than or equal to 50 nm, or even less than or equal to 20 nm, or even less than or equal to 15 nm.
  • the method of manufacturing a watch component may form a watch component whose largest cross-section is inscribed in a circle with a diameter less than or equal to 2 mm, or even less than or equal to 1 mm, or even less than or equal to 0.5 mm, and/or at least one functional portion of the watch component of which at least one cross-section is inscribed in a circle with a diameter less than or equal to 200 ⁇ m, or even less than or equal to 100 ⁇ m, or even less than or equal to 70 ⁇ m.
  • the manufacturing process of a watch component can make it possible to manufacture all or part of a watch axis, such as a balance shaft or an anchor stem. or a barrel arbor, all or part of a pinion, including the entirety of a single-piece pinion, such as an escapement pinion or a gear train pinion.
  • a watch axis such as a balance shaft or an anchor stem. or a barrel arbor
  • all or part of a pinion including the entirety of a single-piece pinion, such as an escapement pinion or a gear train pinion.
  • the invention also relates to a machining device comprising at least one spindle configured to hold a block to be machined and a mechanical cutting tool configured to act in direct contact with the block to be machined so as to remove chips from the block to be machined, characterized in that the machining device comprises a motor connected to the at least one spindle and/or to the mechanical tool so as to drive it in rotation, to implement the method for manufacturing a watch component as described above, the motor being configured to drive the at least one spindle in rotation at a speed greater than or equal to 20,000 rpm, or even greater than or equal to 22,000 rpm, or even greater than or equal to 25,000 rpm, or even greater than or equal to 30,000 rpm, or even greater than or equal to 35,000 rpm, or even greater than or equal to 40,000 rpm, while the mechanical cutting tool comes into contact with it to remove material in successive passes, or the motor being configured to rotate the mechanical cutting tool, such as a milling cutter or a grinding wheel, at a rotation speed greater
  • the longitudinal direction for the principal direction along which a component extends watchmaker considered, for example an axis of revolution of a watch component, or more generally a principal axis, for example considered according to the direction of greatest dimension of the watch component.
  • the adjective "transverse” will be used to designate a direction perpendicular to the longitudinal direction.
  • the concept of the invention consists in using a manufacturing method based on unconventional machining, in particular on unconventional bar turning, involving a very high relative speed between a block to be machined, in particular a bar to be machined, and a mechanical cutting tool, which comes into contact with the block to be machined.
  • Traditional bar turning machines as used in the state of the art to manufacture metal watch components, are totally unsuitable for the use of very rigid, fragile and hard materials such as ceramics, in particular zirconia-based. Indeed, such use would lead to catastrophic wear of the mechanical cutting tools, or even the breakage of these mechanical cutting tools and/or the block to be machined, explaining why such a solution does not exist.
  • machining tests of a very hard metal alloy known by its name P2000 during conventional machining in which a P2000 block is driven at a rotation speed of 12,000 rpm made it possible to manufacture only 150 parts before requiring the cutting tool to be changed.
  • P2000 very hard metal alloy
  • a first embodiment of the invention will now be detailed for the manufacture of a watch component having a symmetry of revolution, at least over part of its length, around a longitudinal axis.
  • a machine tool also called a turning machine, comprising at least one spindle intended for mounting a block, in particular a bar or a bar, to be machined, from which the watch component will be formed by machining, by removing material.
  • This spindle is associated with a motor intended to drive the spindle in rotation around an axis of rotation.
  • the spindle further comprises a housing for fixing a block to be machined.
  • This spindle is therefore a workpiece holder.
  • the motor of the turning machine is adapted to drive the block to be machined at a very high rotation speed on itself, around an axis which corresponds to the longitudinal axis of the future watch component.
  • This speed is greater than 20,000 rpm, or even greater than or equal to 22,000 rpm, or even greater than or equal to 25,000 rpm, or even greater than or equal to 30,000 rpm, or even greater than or equal to 35,000 rpm, or even greater than or equal to 40,000 rpm.
  • the machining machine or device also called a turning machine, also includes a mechanical cutting tool, which comes into direct contact with the block to be machined during its rotation, thus removing chips of material symmetrically around the axis of rotation of the block to be machined, which will form the axis of symmetry of the future watch component, which will have a symmetry of revolution.
  • the cutting tool thus makes it possible to gradually remove material around the block to be machined, thus cutting its circumference and gradually sculpting the block to be machined until reaching the final watch component.
  • the cutting tool passes several times over the same location, to remove chips of very low thickness, for example less than 5 ⁇ m thick, or even less than 2 ⁇ m, or even less than 1 ⁇ m, with each pass.
  • the result obtained is of very high precision.
  • the higher the rotation speed of the block to be machined, according to the aforementioned values the less wear there is on the mechanical cutting tool, which thus makes it compatible with such a manufacturing solution.
  • This cutting tool may retain usual geometries and materials, in particular having a cutting surface in a rigid and/or hard material, for example cutting inserts made of natural or synthetic diamond, such as a polycrystalline synthetic diamond like PCD. It appears that such a manufacturing method makes it possible to form components of very small dimensions, for example having cross-sections with a diameter less than or equal to 350 ⁇ m, or even with a diameter less than or equal to 200 ⁇ m, or even less than or equal to 100 ⁇ m, or even less than or equal to 70 ⁇ m.
  • the manufacturing method according to the invention makes it possible to form a watch component whose largest cross-section is inscribed in a circle with a diameter less than or equal to 2 mm, or even less than or equal to 1 mm, or even less than or equal to 0.4 mm, the block to be machined thus being able, for example, to be a bar with a diameter equal to 2 mm, or 1 mm, or 0.4 mm.
  • the method according to the invention makes it possible to manufacture a given geometry of a watch component with great precision and reliability, and great dimensional repeatability.
  • the spindle of the lathe is also designed to ensure the block to be machined is securely fixed, without it moving despite the significant forces it undergoes during the machining operation.
  • the overall rigidity of the machining device ensures that neither the block to be machined nor the cutting tools vibrate or deform, which guarantees a controlled trajectory of the cutting tool.
  • a machining strategy that minimizes forces is preferred, in particular by multiplying the cutting passes that remove very small chips with each pass, as detailed previously.
  • the machining device implements high and precise accelerations and decelerations.
  • the machining device comprises a multi-spindle lathe, i.e. comprises several spindles which operate at the same time. time, allowing for example the parallel manufacture of several watch components by breaking down the machining operations between the different spindles.
  • an additional spindle can carry a cutting tool for the production of teeth, for example to produce a watch pinion.
  • the machining device comprises a secondary workpiece holder, allowing the component to be reworked after it has been detached from the initial bar or rod.
  • the invention is not limited to the turning machine described above, the same principle can be implemented using any machining lathe.
  • the invention thus makes it possible to advantageously machine a block made of very hard material, such as a ceramic, which was not possible in the prior art, and considered impossible by the person skilled in the art.
  • the invention applies, for example, to a block to be machined made entirely of ceramic.
  • the ceramic is preferably a sintered and hardened ceramic.
  • the block to be machined may be based on zirconia, in particular yttria-containing zirconia, the expression "based on” meaning that it comprises at least 50% by weight of zirconia.
  • it may be entirely made of zirconia, in particular yttria-containing zirconia.
  • it may be based on alumina or entirely made of alumina, entirely or based on a zirconia-alumina composite, entirely or based on silicon carbide, entirely or based on silicon nitride.
  • the invention is more generally suitable for machining by direct material removal, from a block of any rigid material, in particular of hardness greater than or equal to 500 HV, or even greater than or equal to 600 HV, or even greater than or equal to 700 HV, or even greater than or equal to 800 HV, or even greater than or equal to 1000 HV, or even greater than or equal to 1200 HV.
  • a metal or metal alloy in particular an austenitic stainless steel, such as P558 or P200 or Biodur 108, or in Co-based austenitic superalloy such as Phynox, or a copper alloy, in particular beryllium copper (CuBe), or metallic glass.
  • the invention more advantageously makes it possible to manufacture a watch component by the single machining step described above.
  • an optional finishing step particularly a step of tribofinishing the watch component.
  • Such a step makes it possible, for example, to adapt the surface condition of one or more functional surfaces of the watch component, such as the roughness Ra.
  • it has a negligible impact on the overall geometry of the watch component.
  • such a finishing step modifies by a maximum of 1%, or even a maximum of 0.5%, or even a maximum of 0.1%, the dimension of a cross-section of the watch component resulting from the machining step described above.
  • a functional surface of the watch component may have a roughness Ra less than or equal to 0.5 ⁇ m, or even less than or equal to 0.1 ⁇ m, or even less than or equal to 50 nm, or even less than or equal to 20 nm, or even less than or equal to 15 nm.
  • the invention is particularly advantageous in that the machining step makes it possible to form the complete and final, or quasi-final, geometry of the watch component, and not just a rough shape.
  • the machining described above alone makes it possible to achieve the final dimension of the watch component, or the final dimension of at least one functional portion of the watch component, or even a part of the final dimension of at least one functional portion of the watch component different by less than 1%, or even less than 0.5%, or even less than 0.1%, from the final dimension of the at least one functional portion of the watch component.
  • the term "functional portion of the watch component” means a portion of the component that interacts with another component, in particular such as the driving portion to accommodate, for example, a mobile plate or a balance wheel or a hairspring, or such as the portion pivoting which allows the rotation of the component in a fixed part (like a stone) which serves as its support, or like the transmission part formed for example by a tooth.
  • a machining device implementing milling or grinding can be used.
  • a mechanical cutting tool such as a milling cutter or a grinding wheel of such a device, rotated at very high speed, greater than or equal to 100,000 rpm, or even greater than or equal to 120,000 rpm, or even greater than or equal to 150,000 rpm, or even greater than or equal to 180,000 rpm, also makes it possible to sculpt a block to be machined made of a very rigid material, such as ceramic, without causing extreme and unacceptable wear of the milling cutter.
  • a machining machine is thus, as a variant, suitable for the manufacture of a watch component.
  • a difference with the lathe used in the first embodiment is that it is the cutting tool, in particular the milling cutter or the grinding wheel, of the machining device which rotates, the block to be machined being able to remain fixed, whereas in the lathe of the first embodiment, it was the block which was set in rotation. In both cases, there is a very high speed relative rotation between a block to be machined and a mechanical cutting tool.
  • the machining device is suitable for the manufacture of a watch component not exhibiting symmetry of revolution.
  • Milling or grinding can also form chips of very low thickness in each pass, less than 5 ⁇ m thick, of the order of 1 ⁇ m in each pass if necessary.
  • This second embodiment ultimately presents the same advantages as those described with reference to the first embodiment.
  • the two embodiments of the invention can be combined, a watch component being able for example to undergo a first shaping by a turning machine implementing mechanical turning, before finalization by a machining device implementing milling or grinding, or vice versa.
  • the invention can be combined with any other existing manufacturing method, this other method being able to be used to manufacture another portion of a watch component, or the same portion, before or after the implementation of the invention, such as for example a pinion.
  • the invention makes it possible to form at least one functional portion of a watch component, at least one cross-section of which is inscribed in a circle with a diameter less than or equal to 200 ⁇ m, or even less than or equal to 100 ⁇ m, or even less than or equal to 70 ⁇ m. It also makes it possible, more generally, to form a watch component, of small size, the largest cross-section of which is inscribed in a circle with a diameter less than or equal to 2 mm, or even less than or equal to 1 mm, or even less than or equal to 0.5 mm.
  • the invention makes it possible to manufacture any watch component, and particularly all or part of a watch shaft, such as a balance shaft or an anchor stem or a barrel arbor, all or part of a pinion, in particular the entirety of a single-piece pinion, such as an escapement pinion or a gear train pinion.
  • a watch shaft such as a balance shaft or an anchor stem or a barrel arbor
  • all or part of a pinion in particular the entirety of a single-piece pinion, such as an escapement pinion or a gear train pinion.
  • the invention also relates to a machining device comprising at least one spindle configured to hold a block to be machined and a mechanical cutting tool configured to act in direct contact with the block to be machined so as to remove chips from the block to be machined, characterized in that the machining device comprises a motor connected to the at least one spindle and/or to the mechanical cutting tool so as to drive it in rotation, to implement the method for manufacturing a watch component as described above, the motor being configured to drive the at least one spindle in rotation at a speed greater than or equal to 20,000 rpm, or even greater than or equal to 22,000 rpm, or even greater than or equal to 25,000 rpm, or even greater than or equal to 30,000 rpm.
  • revolutions/minute or greater than or equal to 35,000 revolutions/minute, or greater than or equal to 40,000 revolutions/minute, while the mechanical cutting tool comes into contact with it to remove material in successive passes, or the motor being configured to rotate the mechanical cutting tool, such as a milling cutter or a grinding wheel, at a rotation speed greater than or equal to 100,000 revolutions/minute, or greater than or equal to 120,000 revolutions/minute, or greater than or equal to 150,000 revolutions/minute, or greater than or equal to 180,000 revolutions/minute, which comes into contact with the block, held fixed by the at least one spindle, to remove material.
  • the mechanical cutting tool such as a milling cutter or a grinding wheel

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Abstract

Procédé de fabrication d'un composant horloger, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - Se munir d'un bloc à usiner; - Usiner le bloc à l'aide d'un dispositif d'usinage comprenant un outil mécanique de coupe agissant en contact direct sur le bloc de sorte à enlever des copeaux du bloc, caractérisé en ce que - l'étape consistant à usiner le bloc met en œuvre une broche sur laquelle le bloc est fixé et entraîné en rotation, à une vitesse supérieure ou égale à 20000 tours/minute, voire supérieure ou égale à 22000 tours/minute, voire supérieure ou égale à 25000 tours/minute, voire supérieure ou égale à 30000 tours/minute, voire supérieure ou égale à 35000 tours /minute, voire supérieure ou égale à 40000 tours/minute, pendant que l'outil mécanique de coupe vient à son contact pour enlever de la matière par passes successives, pour former un composant horloger présentant une symétrie de révolution; ou en ce que - l'étape consistant à usiner le bloc est réalisé par un outil mécanique de coupe, comme une fraise ou une meule, entrainé à une vitesse de rotation supérieure ou égale à 100000 tours/minute, voire supérieure ou égale à 120000 tours/minute, voire supérieure ou égale à 150000 tours/minute, voire supérieure ou égale à 180000 tours/minute, qui vient au contact du bloc, maintenu fixe par une broche, pour enlever de la matière.

Description

Procédé de fabrication d’un composant horloger
La présente invention concerne un procédé de fabrication d’un composant horloger. Elle porte aussi sur un dispositif d’usinage qui met en œuvre un tel procédé de fabrication.
La réalisation d’un composant horloger nécessite de trouver un bon compromis entre les exigences suivantes :
- Un matériau performant, qui répond au minimum aux exigences mécaniques élevées imposées par l’application horlogère ;
- Un procédé de fabrication suffisamment simple pour envisager une mise en œuvre à grande échelle, de manière fiable et robuste.
Une première solution existante consiste à fabriquer un composant horloger en métal par un procédé de décolletage, impliquant un outil mécanique de coupe qui agit directement au contact avec un bloc initial, pour le mettre en forme par enlèvement de matière. Cet outil de coupe vient au contact direct avec le bloc, au contraire d’un usinage laser dans lequel un faisceau laser permet d’agir à distance sur un tel bloc. Un tel procédé permet d’atteindre une grande précision de manière rapide et bien maîtrisée. Le métal présente toutefois, selon l’alliage utilisé, l’inconvénient d’être sensible aux champs magnétiques, ce qui peut induire des problèmes de fiabilité de la marche d’une montre dans certaines circonstances d’utilisation. D’autre part, le métal n’est pas toujours suffisamment dur et nécessite des opérations complémentaires pour augmenter sa dureté, et parfois améliorer son état de surface, ce qui complexifie finalement le procédé de fabrication. Finalement, certains alliages amagnétiques et durs se révèlent être trop difficiles à usiner, car entraînant une trop forte usure, voire carrément la casse, des outils de coupe. Une deuxième solution existante repose sur le choix d’un matériau amagnétique très rigide, comme une céramique, qui ne présente pas certains défauts du métal de la première solution. Toutefois, la fabrication d’un composant horloger en céramique nécessite un procédé plus complexe, impliquant en général un usinage laser, qui est plus délicat à maîtriser et plus lent qu’un usinage traditionnel.
Ainsi, la présente invention a pour objet de proposer une solution de fabrication d’un composant horloger qui répond au mieux aux exigences susmentionnées et améliore les solutions existantes.
Plus précisément, l’invention a pour objet de définir une solution de fabrication d’un composant horloger permettant de fabriquer simplement et de manière fiable et robuste un composant horloger aux propriétés mécaniques optimisées.
A cet effet, l’invention repose sur un procédé de fabrication d’un composant horloger, comprenant les étapes suivantes :
- Se munir d’un bloc à usiner ;
- Usiner le bloc à l’aide d’un dispositif d’usinage comprenant un outil mécanique de coupe agissant en contact direct sur le bloc de sorte à enlever des copeaux du bloc, caractérisé en ce que
- l’étape consistant à usiner le bloc met en œuvre une broche sur laquelle le bloc est fixé et entraîné en rotation, à une vitesse supérieure ou égale à 20000 tours/minute, voire supérieure ou égale à 22000 tours/minute, voire supérieure ou égale à 25000 tours/minute, voire supérieure ou égale à 30000 tours/minute, voire supérieure ou égale à 35000 tours /minute, voire supérieure ou égale à 40000 tours/minute, pendant que l’outil mécanique de coupe vient à son contact pour enlever de la matière par passes successives, pour former un composant horloger présentant une symétrie de révolution ; ou en ce que - l’étape consistant à usiner le bloc est réalisé par un outil mécanique de coupe, comme une fraise ou une meule, entrainé à une vitesse de rotation supérieure ou égale à 100000 tours/minute, voire supérieure ou égale à 120000 tours/minute, voire supérieure ou égale à 150000 tours/minute, voire supérieure ou égale à 180000 tours/minute, qui vient au contact du bloc, maintenu fixe par une broche, pour enlever de la matière.
Le bloc à usiner peut être intégralement en céramique, préférentiellement une céramique frittée et durcie.
La céramique peut être à base de zircone, notamment de zircone yttriée, ou à base d’alumine, à base d’un composite zircone-alumine, à base de carbure de silicium, ou à base de nitrure de silicium.
Le bloc à usiner peut être en matériau rigide et/ou fragile et/ou dur de dureté supérieure ou égale à 500 HV, voire supérieure ou égale à 600 HV, voire supérieure ou égale à 700 HV, voire supérieure ou égale à 800 HV, voire supérieure ou égale à 1000 HV, voire supérieure ou égale à 1200 HV.
Le bloc peut être en métal ou alliage métallique, notamment en acier inoxydable, ou en alliage de cuivre, notamment du cuivre au béryllium (CuBe), ou en verre métallique.
L’étape consistant à usiner le bloc peut être un tournage mécanique réalisé par une décolleteuse dans laquelle le bloc à usiner est fixé sur une broche et entraîné en rotation, la décolleteuse étant une machine monobroche ou une machine multibroches.
L’outil mécanique de coupe peut agir sur le bloc à usiner par passes fines permettant d’enlever des copeaux de moins de 5 microns d’épaisseur lors d’une passe. L’outil mécanique de coupe peut comprendre un diamant naturel ou synthétique, notamment un diamant synthétique polycristallin.
Le procédé de fabrication d’un composant horloger peut comprendre une étape de terminaison du composant horloger, particulièrement une étape de tribofinition, qui modifie au maximum 1 %, voire au maximum 0.5%, voire au maximum 0.1 %, la dimension d’une section transversale du composant horloger issu de l’étape consistant à usiner le bloc.
L’étape consistant à usiner le bloc peut permettre d’atteindre la géométrie finale du composant horloger, ou la dimension finale d’au moins une portion fonctionnelle du composant horloger, ou une partie de la dimension finale d’au moins une portion fonctionnelle du composant horloger différente de moins de 1 %, voire de moins de 0.5%, voire de moins de 0.1 %, de la dimension finale de la au moins une portion fonctionnelle du composant horloger.
Le procédé de fabrication d’un composant horloger peut former au moins une portion fonctionnelle du composant horloger de rugosité Ra inférieure ou égale à 0.5 pm, voire inférieure ou égale à 0.1 pm, voire inférieure ou égale à 50 nm, voire inférieure ou égale à 20 nm, voire inférieure ou égale à 15 nm.
Le procédé de fabrication d’un composant horloger peut former un composant horloger dont la section transversale de plus grande dimension est inscrite dans un cercle de diamètre inférieur ou égal à 2 mm, voire inférieur ou égal à 1 mm, voire inférieur ou égal à 0.5 mm, et/ou au moins une portion fonctionnelle du composant horloger dont au moins une section transversale est inscrite dans un cercle de diamètre inférieur ou égal à 200 pm, voire inférieur ou égal à 100 pm, voire inférieur ou égal à 70 pm.
Le procédé de fabrication d’un composant horloger peut permettre de fabriquer tout ou partie d’un axe horloger, comme un axe de balancier ou une tige d’ancre ou un arbre de barillet, tout ou partie d’un pignon, notamment l’intégralité d’un pignon monobloc, comme un pignon d’échappement ou un pignon du rouage.
L’invention porte aussi sur un dispositif d’usinage comprenant au moins une broche configurée pour maintenir un bloc à usiner et un outil mécanique de coupe configuré pour agir en contact direct sur le bloc à usiner de sorte à enlever des copeaux du bloc à usiner, caractérisé en ce que le dispositif d’usinage comprend un moteur relié à l’au moins une broche et/ou à l’outil mécanique de sorte à l’entraîner en rotation, pour mettre en œuvre le procédé de fabrication d’un composant horloger tel que décrit précédemment, le moteur étant configuré pour entraîner en rotation la au moins une broche à une vitesse supérieure ou égale à 20000 tours/minute, voire supérieure ou égale à 22000 tours/minute, voire supérieure ou égale à 25000 tours/minute, voire supérieure ou égale à 30000 tours/minute, voire supérieure ou égale à 35000 tours /minute, voire supérieure ou égale à 40000 tours/minute, pendant que l’outil mécanique de coupe vient à son contact pour enlever de la matière par passes successives, ou le moteur étant configuré pour entraîner en rotation l’outil mécanique de coupe, comme une fraise ou une meule, à une vitesse de rotation supérieure ou égale à 100000 tours/minute, voire supérieure ou égale à 120000 tours/minute, voire supérieure ou égale à 150000 tours/minute, voire supérieure ou égale à 180000 tours/minute, qui vient au contact du bloc, maintenu fixe par la au moins une broche, pour enlever de la matière.
Ces objets, caractéristiques et avantages de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faits à titre non-limitatif.
Pour simplifier la description, nous utiliserons par convention la direction longitudinale pour la direction principale le long de laquelle s’étend un composant horloger considéré, par exemple un axe de révolution d’un composant horloger, ou plus généralement un axe principal, par exemple considéré selon la direction de plus grande dimension du composant horloger. L’adjectif « transversal » sera utilisé pour désigner une direction perpendiculaire à la direction longitudinale.
Le concept de l’invention consiste à utiliser un procédé de fabrication basé sur un usinage non conventionnel, notamment sur un décolletage non conventionnel, en impliquant une très grande vitesse relative entre un bloc à usiner, notamment un barreau à usiner, et un outil mécanique de coupe, qui vient au contact avec le bloc à usiner. Les décolleteuses traditionnelles, telles qu’utilisées dans l’état de la technique pour fabriquer des composants horlogers en métal, sont totalement inadaptées à l’utilisation de matériaux très rigides, fragiles et durs comme une céramique, notamment à base de zircone. En effet, une telle utilisation entraînerait une usure catastrophique des outils mécaniques de coupe, voire la casse de ces outils mécaniques de coupe et/ou du bloc à usiner, expliquant pourquoi une telle solution n’existe pas. Par exemple, des essais d’usinage d’un alliage métallique très dur connu par sa dénomination P2000 lors d’un usinage traditionnel dans lequel un bloc en P2000 est entraîné à une vitesse de rotation de 12000 tours/minute a permis de fabriquer seulement 150 pièces avant de nécessiter le changement de l’outil de coupe. Selon l’invention, il a été découvert contre toute attente qu’une très grande vitesse de rotation implémentée dans une décolleteuse permet de réduire fortement l’usure et la casse des outils mécaniques de coupe, même en utilisant un matériau de base très dur comme une céramique.
Un premier mode de réalisation de l’invention va maintenant être détaillé pour la fabrication d’un composant horloger présentant une symétrie de révolution, au moins sur une partie de sa longueur, autour d’un axe longitudinal.
Dans ce premier mode de réalisation, une machine-outil, aussi appelée décolleteuse, est utilisée, comprenant au moins une broche destinée au montage d’un bloc, notamment d’une barre ou d’un barreau, à usiner, à partir duquel le composant horloger va être formé par usinage, par enlèvement de matière. Cette broche est associée à un moteur destiné à entraîner la broche en rotation autour d’un axe de rotation. La broche comprend de plus un logement pour la fixation d’un bloc à usiner. Cette broche est donc un porte-pièce. Selon ce mode de réalisation, le moteur de la décolleteuse est adapté pour entraîner le bloc à usiner à une très grande vitesse de rotation sur lui-même, autour d’un axe qui correspond à l’axe longitudinal du futur composant horloger. Cette vitesse est supérieure à 20000 tours/minute, voire supérieure ou égale à 22000 tours/minute, voire supérieure ou égale à 25000 tours/minute, voire supérieure ou égale à 30000 tours/minute, voire supérieure ou égale à 35000 tours /minute, voire supérieure ou égale à 40000 tours/minute.
La machine ou dispositif d’usinage, aussi appelée décolleteuse, comprend de plus un outil mécanique de coupe, qui vient au contact direct avec le bloc à usiner pendant sa rotation, enlevant ainsi des copeaux de matière de manière symétrique autour de l’axe de rotation du bloc à usiner, qui formera l’axe de symétrie du futur composant horloger, qui va présenter une symétrie de révolution. L’outil de coupe permet ainsi d’enlever progressivement de la matière autour du bloc à usiner, en taillant ainsi sa circonférence et sculptant progressivement le bloc à usiner jusqu’à atteindre le composant horloger final. Avantageusement, l’outil de coupe passe plusieurs fois au même endroit, pour enlever des copeaux de très faible épaisseur, par exemple de moins de 5 pm d’épaisseur, voire de moins de 2 pm, voire de moins de 1 pm, à chaque passe. Ainsi, le résultat obtenu est de très grande précision. De manière surprenante, plus la vitesse de rotation du bloc à usiner est importante, selon les valeurs susmentionnées, moins il y a d’usure de l’outil mécanique de coupe, qui permet ainsi de devenir compatible avec une telle solution de fabrication.
Cet outil de coupe peut conserver des géométries et matériaux habituels, notamment présenter une surface de coupe dans un matériau rigide et/ou dur, par exemple des plaquettes de coupe en diamant naturel ou synthétique, tel un diamant synthétique polycristallin comme le PCD. Il apparaît qu’un tel procédé de fabrication permet de former des composants de très petite dimension, par exemple présentant des sections transversales de diamètre inférieur ou égal à 350 pm, voire de diamètre inférieur ou égal à 200 pm, voire inférieur ou égal à 100 pm, voire inférieur ou égal à 70 pm. Une telle réalisation de petites dimensions est très importante puisqu’obligatoire pour la fabrication d’un composant horloger, notamment d’un axe de balancier ou une tige d’ancre ou un arbre de barillet, tout ou partie d’un pignon, notamment l’intégralité d’un pignon monobloc, comme un pignon d’échappement ou un pignon du rouage. Plus généralement, le procédé de fabrication selon l’invention permet de former un composant horloger dont la section transversale de plus grande dimension est inscrite dans un cercle de diamètre inférieur ou égal à 2 mm, voire inférieur ou égal à 1 mm, voire inférieur ou égal à 0.4 mm, le bloc à usiner pouvant ainsi par exemple être un barreau de diamètre égal à 2 mm, ou 1 mm, ou 0.4 mm.
D’autre part, il apparaît que le procédé selon l’invention permet de fabriquer une géométrie donnée d’un composant horloger avec une grande précision et fiabilité, et une grande répétabilité dimensionnelle.
La broche de la décolleteuse est de plus prévue pour garantir la bonne fixation du bloc à usiner, sans déplacement de ce dernier malgré les efforts importants qu’il subit lors de l’opération d’usinage. De plus, la rigidité globale du dispositif d’usinage assure que, ni le bloc à usiner, ni les outils de coupe, ne vibrent ou ne se déforment, ce qui garantit une trajectoire contrôlée de l'outil de coupe. Pour optimiser la stabilité du dispositif d’usinage, une stratégie d’usinage qui minimise les efforts est préférée, notamment par la multiplication des passes de coupe qui enlèvent des très petits copeaux à chaque passe, comme détaillé précédemment.
D’autre part, avantageusement, le dispositif d’usinage met en œuvre des accélérations et décélérations élevées et précises.
Selon un mode de réalisation avantageux, le dispositif d’usinage comprend un tour multibroches, c’est-à-dire comprend plusieurs broches qui fonctionnent en même temps, permettant par exemple une fabrication en parallèle de plusieurs composants horlogers par décomposition des opérations d’usinage entre les différentes broches. Par exemple, une broche supplémentaire peut porter un outil de taillage pour la réalisation d’une denture, afin par exemple de réaliser un pignon d’horlogerie.
Selon un mode de réalisation avantageux, le dispositif d’usinage comprend un porte-pièce secondaire, permettant une reprise du composant après son détachage de la barre ou du barreau initial.
L’invention ne se limite pas à la décolleteuse décrite précédemment, le même principe pouvant être mis en œuvre par l’intermédiaire de tout tour d’usinage.
L’invention permet ainsi d’usiner de manière avantageuse un bloc en matériau très dur, comme une céramique, ce qui n’était pas possible dans l’état de la technique, et considéré comme impossible par la personne du métier. L’invention s’applique par exemple à partir d’un bloc à usiner intégralement en céramique. La céramique est préférentiellement une céramique frittée et durcie. Le bloc à usiner peut être à base de zircone, notamment de zircone yttriée, l’expression « à base de » signifiant qu’il comprend au moins 50% en poids de zircone. En variante, il peut être intégralement en zircone, notamment en zircone yttriée. En variante, il peut être à base d’alumine ou intégralement en alumine, intégralement ou à base d’un composite zircone-alumine, intégralement ou à base de carbure de silicium, intégralement ou à base de nitrure de silicium.
L’invention est plus généralement adaptée à l’usinage par retrait de matière de matière direct, à partir d’un bloc en tout matériau rigide, notamment de dureté supérieure ou égale à 500 HV, voire supérieure ou égale à 600 HV, voire supérieure ou égale à 700 HV, voire supérieure ou égale à 800 HV, voire supérieure ou égale à 1000 HV, voire supérieure ou égale à 1200 HV. Naturellement, quand bien même l’invention est particulièrement avantageuse en ce qu’elle permet même l’usinage de matériaux aussi rigides que la céramique, elle fonctionne aussi avec un métal ou alliage métallique, notamment un acier inoxydable austénitique, comme le P558 ou le P200 ou le Biodur 108, ou en superalliage austénitique à base Co comme le Phynox, ou un alliage de cuivre, notamment du cuivre au béryllium (CuBe), ou du verre métallique.
L’invention permet de plus avantageusement de fabriquer un composant horloger par la seule étape d’usinage décrite précédemment. Toutefois, elle peut être complétée par une étape optionnelle de terminaison, particulièrement une étape de tribofinition du composant horloger. Une telle étape permet par exemple d’adapter l’état de surface d’une ou de plusieurs surfaces fonctionnelles du composant horloger, comme la rugosité Ra. Elle a toutefois un impact négligeable sur la géométrie globale du composant horloger. Notamment, une telle étape de terminaison modifie au maximum de 1 %, voire au maximum de 0.5%, voire au maximum de 0.1 %, la dimension d’une section transversale du composant horloger issu de l’étape d’usinage décrite précédemment. En fin de procédé, une surface fonctionnelle du composant horloger peut présenter une rugosité Ra inférieure ou égale à 0.5 pm, voire inférieure ou égale à 0.1 pm, voire inférieure ou égale à 50 nm, voire inférieure ou égale à 20 nm, voire inférieure ou égale à 15 nm.
Autrement dit, l’invention est particulièrement avantageuse en ce que l’étape d’usinage permet de former la géométrie complète et finale, ou quasi-finale, du composant horloger, et non pas seulement une ébauche. Ainsi, le seul usinage décrit précédemment permet d’atteindre la dimension finale du composant horloger, ou la dimension finale d’au moins une portion fonctionnelle du composant horloger, voire une partie de la dimension finale d’au moins une portion fonctionnelle du composant horloger différente de moins de 1 %, voire de moins de 0.5%, voire de moins de 0.1 %, de la dimension finale de la au moins une portion fonctionnelle du composant horloger. On entend par « portion fonctionnelle du composant horloger » une portion du composant qui interagit avec un autre composant, notamment comme la portion de chassage pour accueillir par exemple une planche de mobile ou une roue de balancier ou un spiral, ou comme la portion de pivotement qui permet la rotation du composant dans une partie fixe (comme une pierre) qui lui sert de support, ou comme la partie de transmission formée par exemple par une denture.
Selon un deuxième mode de réalisation de l’invention, un dispositif d’usinage mettant en œuvre un fraisage ou une rectification peut être utilisée. Comme dans le premier mode de réalisation, il a été découvert qu’un outil mécanique de coupe comme une fraise ou une meule d’un tel dispositif, mise en rotation à très forte vitesse, supérieure ou égale à 100000 tours/minute, voire supérieure ou égale à 120000 tours/minute, voire supérieure ou égale à 150000 tours/minute, voire supérieure ou égale à 180000 tours/minute, permet également de sculpter un bloc à usiner se présentant dans un matériau très rigide, comme une céramique, sans engendrer une usure extrême et inacceptable de la fraise. Une telle machine d’usinage est ainsi en variante adaptée pour la fabrication d’un composant horloger. Une différence avec la décolleteuse utilisée dans le premier mode de réalisation est que c’est l’outil de coupe, notamment la fraise ou la meule, du dispositif d’usinage qui tourne, le bloc à usiner pouvant rester fixe, alors que dans la décolleteuse du premier mode de réalisation, c’était le bloc qui était mis en rotation. Dans les deux cas, il existe une rotation relative de très grande vitesse entre un bloc à usiner et un outil mécanique de coupe.
D’autre part, dans ce deuxième mode de réalisation, le dispositif d’usinage est adaptée pour la fabrication d’un composant horloger ne présentant pas de symétrie de révolution.
Le fraisage ou la rectification peut aussi former des copeaux de très faible épaisseur à chaque passe, inférieure à 5 pm d’épaisseur, de l’ordre de 1 pm à chaque passe si nécessaire.
Ce deuxième mode de réalisation présente finalement les mêmes avantages que ceux décrits en référence au premier mode de réalisation. Naturellement, les deux modes de réalisation de l’invention peuvent être combinés, un composant horloger pouvant par exemple subir une première mise en forme par une décolleteuse mettant en œuvre un tournage mécanique, avant une finalisation par un dispositif d’usinage mettant en œuvre un fraisage ou une rectification, ou inversement. D’autre part, l’invention peut être combinée avec tout autre procédé de fabrication existant, cet autre procédé pouvant servir à fabriquer une autre portion d’un composant horloger, ou la même portion, avant ou après la mise en œuvre de l’invention, comme par exemple un pignon.
Dans tous les cas, l’invention permet de former au moins une portion fonctionnelle d’un composant horloger, dont au moins une section transversale est inscrite dans un cercle de diamètre inférieur ou égal à 200 pm, voire inférieur ou égal à 100 pm, voire inférieur ou égal à 70 pm. Elle permet aussi plus généralement de former un composant horloger, de petite dimension, dont la section transversale de plus grande dimension est inscrite dans un cercle de diamètre inférieur ou égal à 2 mm, voire inférieur ou égal à 1 mm, voire inférieur ou égal à 0.5 mm.
L’invention permet de fabriquer tout composant horloger, et particulièrement tout ou partie d’un axe horloger, comme un axe de balancier ou une tige d’ancre ou un arbre de barillet, tout ou partie d’un pignon, notamment l’intégralité d’un pignon monobloc, comme un pignon d’échappement ou un pignon du rouage.
L’invention porte aussi sur un dispositif d’usinage comprenant au moins une broche configurée pour maintenir un bloc à usiner et un outil mécanique de coupe configuré pour agir en contact direct sur le bloc à usiner de sorte à enlever des copeaux du bloc à usiner, caractérisé en ce que le dispositif d’usinage comprend un moteur relié à l’au moins une broche et/ou à l’outil mécanique de coupe de sorte à l’entraîner en rotation, pour mettre en œuvre le procédé de fabrication d’un composant horloger tel que décrit précédemment, le moteur étant configuré pour entraîner en rotation la au moins une broche à une vitesse supérieure ou égale à 20000 tours/minute, voire supérieure ou égale à 22000 tours/minute, voire supérieure ou égale à 25000 tours/minute, voire supérieure ou égale à 30000 tours/m inute, voire supérieure ou égale à 35000 tours /minute, voire supérieure ou égale à 40000 tours/minute, pendant que l’outil mécanique de coupe vient à son contact pour enlever de la matière par passes successives, ou le moteur étant configuré pour entraîner en rotation l’outil mécanique de coupe, comme une fraise ou une meule, à une vitesse de rotation supérieure ou égale à 100000 tours/minute, voire supérieure ou égale à 120000 tours/minute, voire supérieure ou égale à 150000 tours/minute, voire supérieure ou égale à 180000 tours/minute, qui vient au contact du bloc, maintenu fixe par la au moins une broche, pour enlever de la matière.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de fabrication d’un composant horloger, comprenant les étapes suivantes :
- Se munir d’un bloc à usiner ;
- Usiner le bloc à l’aide d’un dispositif d’usinage comprenant un outil mécanique de coupe agissant en contact direct sur le bloc de sorte à enlever des copeaux du bloc, caractérisé en ce que
- l’étape consistant à usiner le bloc met en œuvre une broche sur laquelle le bloc est fixé et entraîné en rotation, à une vitesse supérieure ou égale à 20000 tours/minute, voire supérieure ou égale à 22000 tours/minute, voire supérieure ou égale à 25000 tours/minute, voire supérieure ou égale à 30000 tours/minute, voire supérieure ou égale à 35000 tours/minute, voire supérieure ou égale à 40000 tours/minute, pendant que l’outil mécanique de coupe vient à son contact pour enlever de la matière par passes successives, pour former un composant horloger présentant une symétrie de révolution ; ou en ce que
- l’étape consistant à usiner le bloc est réalisé par un outil mécanique de coupe, comme une fraise ou une meule, entrainé à une vitesse de rotation supérieure ou égale à 100000 tours/minute, voire supérieure ou égale à 120000 tours/minute, voire supérieure ou égale à 150000 tours/minute, voire supérieure ou égale à 180000 tours/minute, qui vient au contact du bloc, maintenu fixe par une broche, pour enlever de la matière.
2. Procédé de fabrication d’un composant horloger selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le bloc à usiner est intégralement en céramique, préférentiellement une céramique frittée et durcie.
3. Procédé de fabrication d’un composant horloger selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la céramique est à base de zircone, notamment de zircone yttriée, ou à base d’alumine, à base d’un composite zircone-alumine, à base de carbure de silicium, ou à base de nitrure de silicium.
4. Procédé de fabrication d’un composant horloger selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le bloc à usiner est en matériau rigide et/ou fragile et/ou dur de dureté supérieure ou égale à 500 HV, voire supérieure ou égale à 600 HV, voire supérieure ou égale à 700 HV, voire supérieure ou égale à 800 HV, voire supérieure ou égale à 1000 HV, voire supérieure ou égale à 1200 HV.
5. Procédé de fabrication d’un composant horloger selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le bloc est en métal ou alliage métallique, notamment en acier inoxydable, ou en alliage de cuivre, notamment du cuivre au béryllium (CuBe), ou en verre métallique.
6. Procédé de fabrication d’un composant horloger selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’étape consistant à usiner le bloc est un tournage mécanique réalisé par une décolleteuse dans laquelle le bloc à usiner est fixé sur une broche et entraîné en rotation, la décolleteuse étant une machine monobroche ou une machine multibroches.
7. Procédé de fabrication d’un composant horloger selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’outil mécanique de coupe agit sur le bloc à usiner par passes fines permettant d’enlever des copeaux de moins de 5 microns d’épaisseur lors d’une passe.
8. Procédé de fabrication d’un composant horloger selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’outil mécanique de coupe comprend un diamant naturel ou synthétique, notamment un diamant synthétique polycristallin.
9. Procédé de fabrication d’un composant horloger selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend une étape de terminaison du composant horloger, particulièrement une étape de tribofinition, qui modifie au maximum 1 %, voire au maximum 0.5%, voire au maximum 0.1 %, la dimension d’une section transversale du composant horloger issu de l’étape consistant à usiner le bloc.
10. Procédé de fabrication d’un composant horloger selon l’une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l’étape consistant à usiner le bloc forme la géométrie finale du composant horloger, ou la dimension finale d’au moins une portion fonctionnelle du composant horloger, ou une partie de la dimension finale d’au moins une portion fonctionnelle du composant horloger différente de moins de 1 %, voire de moins de 0.5%, voire de moins de 0.1 %, de la dimension finale de la au moins une portion fonctionnelle du composant horloger.
11 . Procédé de fabrication d’un composant horloger selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il fabrique au moins une portion fonctionnelle du composant horloger de rugosité Ra inférieure ou égale à 0.5 pm, voire inférieure ou égale à 0.1 pm, voire inférieure ou égale à 50 nm, voire inférieure ou égale à 20 nm, voire inférieure ou égale à 15 nm.
12. Procédé de fabrication d’un composant horloger selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il fabrique un composant horloger dont la section transversale de plus grande dimension est inscrite dans un cercle de diamètre inférieur ou égal à 2 mm, voire inférieur ou égal à 1 mm, voire inférieur ou égal à 0.5 mm, et/ou au moins une portion fonctionnelle du composant horloger dont au moins une section transversale est inscrite dans un cercle de diamètre inférieur ou égal à 200 pm, voire inférieur ou égal à 100 pm, voire inférieur ou égal à 70 pm.
13. Procédé de fabrication d’un composant horloger selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il fabrique tout ou partie d’un axe horloger, comme un axe de balancier ou une tige d’ancre ou un arbre de barillet, tout ou partie d’un pignon, notamment l’intégralité d’un pignon monobloc, comme un pignon d’échappement ou un pignon du rouage.
14. Dispositif d’usinage comprenant au moins une broche configurée pour maintenir un bloc à usiner et un outil mécanique de coupe configuré pour agir en contact direct sur le bloc à usiner de sorte à enlever des copeaux du bloc à usiner, caractérisé en ce que le dispositif d’usinage comprend un moteur relié à l’au moins une broche et/ou à l’outil mécanique de sorte à l’entraîner en rotation, pour mettre en œuvre le procédé de fabrication d’un composant horloger selon l’une des revendications précédentes, le moteur étant configuré pour entraîner en rotation la au moins une broche à une vitesse supérieure ou égale à 20000 tours/minute, voire supérieure ou égale à 22000 tours/minute, voire supérieure ou égale à 25000 tours/minute, voire supérieure ou égale à 30000 tours/minute, voire supérieure ou égale à 35000 tours /minute, voire supérieure ou égale à 40000 tours/minute, pendant que l’outil mécanique de coupe vient à son contact pour enlever de la matière par passes successives, ou le moteur étant configuré pour entraîner en rotation l’outil mécanique de coupe, comme une fraise ou une meule, à une vitesse de rotation supérieure ou égale à 100000 tours/minute, voire supérieure ou égale à 120000 tours/minute, voire supérieure ou égale à 150000 tours/minute, voire supérieure ou égale à 180000 tours/minute, qui vient au contact du bloc, maintenu fixe par la au moins une broche, pour enlever de la matière.
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