Ressort thermocompensé et son procédé de fabrication

Domaine de l'invention

L'invention se rapporte à un ressort pour balancier - spiral et plus particulièrement un tel ressort dont le coefficient thermoélastique est sensiblement nul et quasiment insensible aux champs magnétiques. Le coefficient thermoélastique (CTE) d'un corps représente la variation relative du module d'Young dudit corps en fonction de la température.

Arrière plan de l'invention

Il est connu, pour un mouvement mécanique d'horlogerie, de rechercher un écart de marche le plus faible possible. Cependant, il est très difficile d'y arriver en raison notamment de la sensibilité de l'ensemble balancier - spiral aux variations de température et de champs magnétiques.

Le document EP 1 039 352 divulgue un ressort-spiral en alliage particulier dont la surface externe comporte un revêtement d'oxyde. Le document divulgue un ressort-spiral qui est thermocompensé c'est-à-dire que, notamment, son coefficient thermoélastique, également appelé coefficient thermique du module d'Young, reste sensiblement proche de zéro et dont la sensibilité aux champs magnétiques est très faible. Cependant, le ressort est très difficile à mettre en oeuvre ce qui occasionne un taux de rebut et un prix de revient qui sont très élevés.

Résumé de l'invention

Le but de la présente invention est de pallier tout ou partie les inconvénients cités précédemment en proposant un ressort thermocompensé pour balancier - spiral dont la mise en oeuvre est simplifiée.

A cet effet, l'invention se rapporte à un ressort thermocompensé pour balancier - spiral comportant une section comprenant un premier matériau métallique caractérisé en ce qu'au moins une des faces de la section comporte une couche externe comportant un deuxième matériau métallique dont le coefficient thermoélastique varie dans le sens opposé à celui du premier.

Avantageusement selon l'invention, le ressort est très simple et peut donc utiliser des matériaux classiques ce qui évite des étapes de fabrication complexes.

Conformément à d'autres caractéristiques avantageuses de l'invention :

• au moins deux faces parallèles ou au moins deux faces adjacentes ou toutes les faces de la section comportent ladite couche externe ;
• ladite couche externe court sur tout ou partie de la longueur du ressort ;
• au moins un des matériaux métalliques est paramagnétique ;
• le deuxième matériau est un acier inoxydable ;
• le premier matériau est un alliage FeMn ou un alliage FeNi36 du type invar ;
• la section comporte plusieurs couches externes différentes.

L'invention se rapporte également à une pièce d'horlogerie comportant au moins un ressort conforme à l'une des variantes précédentes.

Enfin, l'invention se rapporte à un procédé de fabrication d'un ressort pour une pièce d'horlogerie comportant les étapes suivantes :

1. a) former un corps à l'aide d'un premier et d'un deuxième matériaux métalliques solidarisés, les premier et deuxième matériaux ayant des coefficients thermoélastiques qui varient en sens opposé ;
2. b) diminuer la section du corps ;
3. c) enrouler le corps afin de former ledit ressort.

On comprend donc que le ressort peut être obtenu avec des matériaux de manière très simple à l'aide d'étapes mécaniques maîtrisées qui autorisent un très faible taux de rebut.

Conformément à d'autres caractéristiques avantageuses de l'invention :

• le procédé comporte, entre l'étape b) et c), l'étape d) : modifier la section dudit corps en une section polygonale ;
• le procédé comporte, après l'étape c), l'étape e) : surélever la spire externe dudit ressort afin de former un ressort du type Breguet ;
• le procédé comporte l'étape f) : effectuer un enlèvement de matière du corps après la formation du ressort afin d'en ajuster le coefficient thermoélastique ;
• le procédé comporte l'étape finale g) : effectuer un traitement thermique après la formation du ressort afin d'ajuster le coefficient thermoélastique et la forme du ressort ;
• selon un premier mode de réalisation, l'étape a) comporte les phases h) : former une barre en un premier matériau métallique, i) : former un tube en un deuxième matériau métallique, j) : enfiler la barre dans le tube, k) : solidariser la barre dans le tube ;
• le procédé comporte, pendant l'étape j), une étape de refroidissement de la barre et/ou de chauffage du tube afin d'augmenter les espaces entre ces derniers dans le but de faciliter ladite étape j) ;
• à titre alternatif, l'étape a) comporte les phases de former une pièce en un premier matériau métallique, de solidariser un deuxième matériau métallique sur la pièce par surmoulage, placage, déformation à froid et/ou à chaud, collage et/ou soudage ;
• l'étape b) est réalisée par déformation à froid et/ou à chaud.
• la section externe du corps à la fin de l'étape a) est comprise entre 5 et 100 mm et, à la fin de l'étape c), comprise entre 10 µm et 1 mm ;
• au moins un des matériaux est paramagnétique.

Une alternative consiste à proposer un procédé de fabrication d'un ressort pour balancier-spiral comportant les étapes suivantes :

• a')former un corps en forme de ressort à l'aide d'un premier matériau métallique ;
• b')solidariser un deuxième matériau métallique sur le corps par surmoulage et/ou placage, les premier et deuxième matériaux ayant des coefficients thermoélastiques qui varient en sens opposé.

On comprend donc que la forme du ressort peut être obtenue avec un premier matériau avec une très bonne précision puis, à l'aide d'étape(s) de surmoulage et/ou de placage maîtrisées d'un deuxième matériau, obtenir un ressort thermocompensé de très grande qualité tout en autorisant un très faible taux de rebut.

Conformément à d'autres caractéristiques avantageuses de l'alternative :

• l'étape a') est réalisée par un processus du type tréfilage - laminage

  • estrapadage - traitement thermique de fixage ou par gravage du type ionique réactif profond dans une plaque dudit premier matériau métallique ou par un processus d'électroformage du type LIGA ;

• l'étape b') est réalisée par coulée, par galvanoplastie ou par dépôt physique ou chimique en phase vapeur ;

  • le procédé comporte l'étape f) : effectuer un enlèvement de matière du corps après la formation du ressort afin d'en ajuster le coefficient thermoélastique ;
  • le procédé comporte l'étape finale g) : effectuer un traitement thermique après la formation du ressort afin d'ajuster le coefficient thermoélastique et la forme du ressort ;
  • au moins un des matériaux est paramagnétique.

Description sommaire des dessins

D'autres particularités et avantages ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence à l'unique figure représentant un schéma fonctionnel d'un procédé de fabrication d'un ressort selon l'invention.

Description détaillée des modes de réalisation préférés

L'invention se rapporte à un ressort thermocompensé pour un organe régulateur de pièce d'horlogerie du type balancier - spiral. Le ressort selon l'invention utilise des matériaux susceptibles d'être travaillés par des méthodes classiques de mises en forme de métaux. De plus, les matériaux utilisés sont usuels et donc bon marché.

Selon l'invention, le coefficient thermoélastique du ressort est rendu sensiblement nul, c'est-à-dire une variation relative du module d'Young en fonction de la température sensiblement nulle. Pour parvenir à ce but, on utilise deux matériaux métalliques en recouvrement dont les coefficients thermoélastiques respectifs varient en sens opposé afin de se compenser. On comprend donc que si un des matériaux possède un coefficient thermoélastique positif, le deuxième en possédera un négatif.

De manière parfaitement équivalente, le matériau à coefficient thermoélastique positif peut recouvrir l'autre ou inversement. Seule l'épaisseur en recouvrement est à adapter en fonction de celle recouverte et, également, en fonction du type de balancier afin de globalement compenser l'organe régulateur balancier - spiral.

Le recouvrement des matériaux peut être partiel ou total. Ainsi, notamment, au moins deux faces parallèles ou adjacentes de la section du corps du premier matériau peuvent être munies du deuxième matériau. De manière similaire, le recouvrement peut être sur tout ou partie de la longueur du corps du premier matériau. On comprend également que chaque face peut également comprendre un matériau qui lui est propre, c'est-à-dire ne pas comprendre un unique deuxième matériau. Enfin, au moins un des matériaux peut être paramagnétique afin de rendre sensiblement nul l'influence du ressort aux champs magnétiques.

Préférentiellement, le ressort utilise le couple de matériaux acier inoxydable - alliage FeMn ou acier inoxydable - alliage FeNi36 du type invar. Le matériau qui recouvre l'autre n'a pas forcément d'importance. Cependant, si l'un des deux matériaux est ferromagnétique, l'âme utilise, de manière préférée, ledit matériau ferromagnétique. Aussi, pour les exemples ci-dessus, l'âme utilise préférentiellement l'alliage FeMn (antiferromagnétique) ou FeNi36 (ferromagnétique) et, la couche externe, l'acier (antiferromagnétique). On notera également que cette configuration permet également de limiter l'oxydation dudit ressort.

Afin de calculer les épaisseurs respectives de l'âme (matériau 1) par rapport à la couche externe (matériau 2), on calcule le coefficient thermoélastique corrigé CTE' souhaité et éventuellement, le couple corrigé C' souhaité pour son adaptation avec un balancier selon les relations suivantes où les coefficients de dilatation sont jugés équivalents : $$\mathit{CTEʹ}=\frac{A\cdot E_1\cdot {\mathit{CTE}}_1+B\cdot E_2\cdot {\mathit{CTE}}_2}{A\cdot E_1+B\cdot E_2}$$ $$\mathit{Cʹ}=\frac{\left(A\cdot E_1+B\cdot E_2\right)\cdot \left(h+2d\right)\cdot {\left(e+2d\right)}^3}{12L}$$

Où : $$A=\frac{h\cdot e^3}{{\left(e+2d\right)}^3\cdot \left(h+2d\right)}$$ $$B=\frac{h\cdot \left[{\left(e+2d\right)}^3-e^3\right]+2d\cdot {\left(e+2d\right)}^3}{{\left(e+2d\right)}^3\cdot \left(h+2d\right)}$$

Et :

• E_x est le module d'Young du matériau x ;
• CTE_x est le coefficient thermoélastique du matériau x ;
• e est l'épaisseur de l'âme ;
• h est la hauteur de l'âme ;
• d est l'épaisseur de la couche externe.

Bien entendu, l'invention ne saurait se limiter au couple acier inoxydable - alliage FeMn ou acier inoxydable - alliage FeNi36. Ainsi, il peut être envisagé d'autres couples. A titre d'exemple, la couche externe peut comporter de l'acier inoxydable et/ou du chrome et/ou du nickel et/ou du fer. De même, à titre d'exemple, l'âme du ressort peut comporter du niobium, de l'alliage NbZr, de l'alliage CrMn, de l'alliage FeMn, de l'alliage FeNi36 ou de l'alliage AuPd.

Le procédé de fabrication 1 du ressort ci-dessus va maintenant être expliqué en référence à la figure 1. Le procédé 1 comporte préférentiellement trois étapes principales respectivement de formation 11 d'un corps à l'aide d'un premier et d'un deuxième matériaux métalliques solidarisés, de diminution 15 de la section du corps et d'enroulement 21 dudit corps afin de former ledit ressort.

L'étape de formation 11 comporte généralement les phases 3, 5, 7 et 13 qui sont utilisées pour plusieurs modes de réalisation. Selon un premier mode de réalisation, le corps est formé à partir d'une barre et d'un tube. Dans la première phase 3 du procédé 1, la barre d'un premier matériau est formée. Dans une deuxième phase 5 du procédé 1 qui peut être effectuée en parallèle, avant ou après la phase 3, le tube d'un deuxième matériau est formé. Puis dans une troisième phase 7, la barre est enfilée dans le tube. Préférentiellement, la différence de section entre l'extérieure de la barre et le creux du tube est la plus petite possible afin de limiter leurs déplacements relatifs.

Ainsi afin de faciliter l'exécution de la phase 7, de manière préférée, une phase optionnelle 9, avant la phase 7, est prévue. La phase 9 consiste à effectuer un traitement thermique de la barre et/ou du tube afin de garantir un espace c'est-à-dire une différence de section entre ces derniers la plus grande possible. On comprend donc qu'un chauffage pour dilater le tube et/ou un refroidissement pour contracter la barre sont notamment envisagés. Après la phase 7, l'étape 11 poursuit avec la quatrième phase 13 destinée à solidariser la barre dans le tube. On comprend donc que ce premier mode de réalisation implique le recouvrement sur toute la section de l'âme du premier matériau.

II est également envisagé de recouvrir seulement certaines faces, ainsi, dans un autre mode de réalisation, les phases 3 et 5 sont toujours faites pour former un premier et un deuxième matériaux. Dans une troisième et une quatrième phases 7, 13, les deux matériaux sont respectivement amenés l'un contre l'autre puis solidarisés. De manière non limitative, dans cet autre mode de réalisation, la phase 13 peut comprendre une déformation à froid et/ou à chaud mais également un collage et/ou un soudage.

Bien entendu, d'autres étapes de formation 11 comportant plus ou moins de phases 3, 5, 7, 9, 13 sont également possibles. Ainsi, selon une alternative, la phase 3 est utilisée pour former un corps en un premier matériau puis, dans une seconde phase 5, il est opéré un surmoulage ou un placage d'un deuxième matériau. On comprend donc que les phases 5, 7 et 13 peuvent être réalisées en même temps, par exemple, par coulée, par galvanoplastie ou encore par dépôt physique ou chimique en phase vapeur.

La deuxième étape 15 est destinée à diminuer la section jusqu'à la section voulue dudit ressort. A titre d'exemple, la section la plus grande du corps peut ainsi passer de 5 à 100 mm à la fin de l'étape 11 à une dimension finale comprise entre 10 µm et 1 mm.

Il est également parfaitement envisageable que les étapes 11, 15 et 21 soient effectuées dans un ordre différent. En effet, il est possible également de former dans un premier temps uniquement le premier matériau selon les étapes 11, 15 et 21 puis former le deuxième matériau, comme dans l'alternative ci-dessus, lors d'une phase 5 dans laquelle il est opéré un surmoulage et/ou un placage du premier matériau par un deuxième matériau.

A titre d'exemple, la forme du ressort serait donnée au premier matériau qui peut ainsi être obtenu par processus du type tréfilage - laminage - estrapadage - traitement thermique de fixage ou par gravage du type ionique réactif profond dans une plaque du premier matériau ou par un processus d'électroformage du type LIGA (croissance galvanique dans un moule en résine photosensible). Le premier matériau peut ensuite être revêtu, comme dans l'alternative ci-dessus, par coulée, par galvanoplastie ou encore par dépôt physique ou chimique en phase vapeur.

De manière préférée pour le premier mode de réalisation de l'invention, la phase 13 et l'étape 15 sont réalisées en un processus unique de déformation plastique. Ainsi, la déformation occasionnée permet avantageusement de solidariser la barre et le tube mais également de diminuer la section à celle du futur ressort. De manière préférée, le processus de déformation est du type à froid et/ou à chaud avec, éventuellement, des phases intermédiaires de recuit afin d'autoriser la matière à se déformer jusqu'à de très petites dimensions.

Ainsi pour tous les modes de réalisation, l'étape 15 peut comporter des déformations à froid qui peuvent comprendre du tréfilage et/ou de l'étirage et/ou du forgeage et/ou du laminage et/ou du martelage. De même, à titre d'exemple, des déformations à chaud peuvent également être envisagées et peuvent comprendre de l'étirage et/ou du forgeage et/ou du laminage et/ou du martelage.

Préférentiellement, le procédé 1 peut comporter également, à la suite de l'étape 15, une étape supplémentaire 17 destinée à donner la forme finale de la section du ressort. Ainsi, dans l'étape 17, la section du corps est modifiée en une section polygonale, comme, par exemple, une section rectangulaire. Cette étape 17 est préférentiellement effectuée par laminage afin d'obtenir des tolérances dimensionnelles très avantageuses.

Le procédé 1 est poursuivi avec l'étape 21 dans laquelle on enroule le corps afin de former le ressort, par exemple, sensiblement en forme de spirale. Selon l'invention, l'étape 21 peut terminer le procédé 1. Cependant, d'autres variantes sont possibles.

Ainsi, une troisième étape optionnelle 23 peut être prévue après l'étape 21 afin de lever la spire externe du ressort formé lors de l'étape 21. Une telle étape 23 permet ainsi de former un ressort en spirale du type Breguet. Selon l'invention, l'étape optionnelle 23 peut également terminer le procédé 1.

Cependant, après l'étape 21 ou 23, le procédé 1 peut également se poursuivre avec l'étape 31 et/ou 33. Ainsi, comme illustré à la figure 1 en trait double, après l'étape 21 ou 23, le procédé 1 peut comporter l'étape 33 destinée à effectuer un traitement thermique dans le but d'ajuster le coefficient thermoélastique et la forme du ressort. Selon l'invention, l'étape 33 peut également terminer le procédé 1.

Néanmoins, l'étape 33 peut être remplacée ou précédée par l'étape 31 comme illustré par un trait simple à la figure 1. L'étape 31 est destinée à effectuer un enlèvement de matière au niveau du corps après la formation du ressort c'est-à-dire après l'étape 21 ou 23 afin d'ajuster le coefficient thermoélastique du ressort. L'étape 31 peut par exemple comporter une phase d'usinage et/ou d'attaque chimique. Selon l'invention, on comprend que l'étape 31 peut également terminer le procédé 1 et/ou être utilisée pour déterminer la surépaisseur à enlever sur la prochaine production.

Bien entendu, la présente invention ne se limite pas à l'exemple illustré mais est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. Ainsi, notamment d'autres étapes de déformation à chaud et/ou à froid peuvent être envisagées.