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LA RUOTA DI SCAPPAMENTO

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Figura 1

Disegno di una ruota di scappamento

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1. Descrizione generale

Si utilizza anche il termine mobile (o ruota) d’ancora per indicare la ruota di scappamento. Nella catena cinematica del movimento, la ruota di scappamento si trova subito dopo la ruota dei secondi. Sebbene la ruota di scappamento costituisca un componente unico e solidale, il suo pignone appartiene all’organo di conteggio e trasmissione (rotismo di finitura), mentre la sua ruota fa parte dell’organo di distribuzione (scappamento).

2. Componenti

Il pignone

Il pignone è simile a quelli degli altri mobili. È trascinato (condotto) dalla ruota dei secondi e appartiene all’organo di conteggio e trasmissione (rotismo di finitura).

Figura 2

Piano di un pignone di scappamento

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La ruota

Al contrario, la tavola della ruota se ne distingue per la forma della sua dentatura e il materiale impiegato per la sua fabbricazione. Generalmente in acciaio, la tavola della ruota potrà, a seconda del metodo di fabbricazione e del tipo di scappamento, essere realizzata in nichel-fosforo (NiP)(UV-LIGA) o in silicio (DRIE). L’acciaio sarà privilegiato quando la ruota di scappamento trasmetterà il suo impulso a palette in rubino (per esempio scappamento ad ancora svizzera). Questa combinazione di materiali limita in modo ottimale gli attriti nel caso dello scappamento ad ancora svizzera che è utilizzato in più del 99% degli orologi moderni.

Figura 3

Piano di una ruota di scappamento

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Una geometria a 4 bracci
Per le loro piccole dimensioni e la rigidità del loro Materiale, le Ruote di scappamento contano generalmente solo quattro bracci (contro cinque per le ruote del rotismo di finitura). La ruota è così tanto meno pesante, essendo la leggerezza una qualità primordiale per la Ruota di scappamento in particolare.

una dentatura specifica
la dentatura particolare della ruota è disegnata per la sua interazione particolare con l’ancora. L’Ancora, la Ruota di scappamento e il doppio piatto costituiscono lo scappamento che svolge un duplice ruolo: quello di fermare il movimento quando il bilanciere effettua liberamente la sua oscillazione e quello di trasmettere Impulsi regolari all’organo regolatore trasformando il moto di rotazione del rotismo di finitura in un moto oscillatorio dell’organo regolatore.

Figura 4

Geometria della ruota di scappamento

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3. Storia

I primi scappamenti compaiono in Cina già nell’8^° secolo. Non smetteranno mai di evolversi, di conoscere una moltitudine di varianti e di essere il frutto permanente di ricerche e studi volti a migliorarne le prestazioni. L’ancora viene inventata nel 1657 da Robert Hooke. Allora regola solo orologi da tavolo e si diffonde, per la sua precisione e il suo basso consumo energetico. Una delle più grandi sfide che gli orologiai del 18^° secolo avranno dovuto affrontare fu quella di trovare tipi di scappamento capaci di funzionare in un orologio indossato, subendo un minimo di influenze dovute alle posizioni dell’orologio e agli urti.

Gli orologiai inglesi furono i più inventivi e i più prolifici in termini di scappamento. È ancora a uno di loro, Thomas Mudge, che dobbiamo l’invenzione dello …scappamento ad ancora svizzera. Questo scappamento è stato prodotto da allora per orologi di alta gamma prima di diffondersi e imporsi definitivamente tra la fine del 19° secolo e l’inizio del 20^° secolo. L’industrializzazione ha permesso di migliorarne la precisione e di ridurne i costi di produzione. Il progresso dei calcoli di scappamento e le prestazioni dei strumenti e macchine permettono, alla fine degli anni sessanta, di aumentare il numero di denti della Ruota di scappamento e di raggiungere così frequenze di Regolazione più elevate (fino a 5 Hz). L’ultima e una delle evoluzioni più significative è arrivata all’inizio del XXI secolo con l’applicazione orologiera del Silicio prodotto tramite processo foto-litografico (incisione DRIE). I vantaggi di questo metodo industriale sono numerosi: le Ruote di scappamento non necessitano più di Fresa costose per la lavorazione delle dentature, il Materiale può essere alleggerito al massimo ed è Amagnetico.

4. Materiali

Tradizionalmente, il Pignone di scappamento è in acciaio. Recenti sviluppi esplorano la fabbricazione di Pignone di scappamento in ceramica lavorati tramite femto-laser al fine di produrre Scappamento completamente Amagnetico.

Anche la Ruota di scappamento è tradizionalmente fabbricata in acciaio. La ricerca di materiali più leggeri, complessi nei loro profili e soprattutto amagnetici ha visto apparire, sin dall’inizio degli anni 2000, ruote fabbricate in nichel fosforo (con la tecnologia UV-LIGA) o in silicio (con la tecnologia DRIE). Queste tecnologie sono sempre più diffuse e tendono a sostituire progressivamente l’uso dell’acciaio.

5. Fabbricazione artigianale di una ruota di scappamento

A seconda del tipo di scappamento, diversi materiali potranno essere utilizzati per la fabbricazione della piastra della ruota di scappamento e le operazioni di fabbricazione potranno differire a seconda dei casi. Nel caso di uno scappamento ad ancora svizzero, la ruota di scappamento sarà generalmente in acciaio. L’artigiano procederà secondo lo stesso metodo utilizzato per una tavola di ruota tradizionale. La tagliatura della dentatura richiede tuttavia l’uso di frese diverse, generalmente in numero di quattro. Potrà essere realizzata con l’ausilio di una macchina per tagliare gli ingranaggi o di un tornio dotato di un piatto divisore. Il costo delle frese e le numerose operazioni necessarie alla sua fabbricazione rendono la ruota di scappamento un componente particolarmente costoso da produrre. Tradizionalmente, le facce della ruota di scappamento sono lucidate. Questa finitura permette di evitare che l’olio che limita l’attrito tra la dentatura della ruota di scappamento e le palette dell’ancora scivoli sulle superfici piane della ruota. Un trattamento superficiale della ruota chiamato epilamatura permette anche di trattenere l’olio nella dentatura senza che essa scappi sulle superfici della platina.

6. Produzione industriale di una ruota di scappamento

Industrialmente, la ruota di scappamento viene tornita e lavorata con l’ausilio di un tornio automatico che può anche fresare le braccia della platina. La dentatura viene realizzata su una macchina dentatrice e richiede, anche in questo caso, l’uso di più frese e altrettante operazioni di dentatura.

7. Metodi di produzione high-tech di una ruota di scappamento

Le tecnologie di microfabbricazione hanno profondamente trasformato la produzione di alcuni componenti orologieri, in particolare i componenti dello scappamento. Tra questi processi, la fabbricazione tramite UV-LIGA e quella tramite incisione del silicio (DRIE)permettono di ottenere ruote di scappamento con una precisione geometrica estremamente elevata, difficilmente raggiungibile con i metodi tradizionali di lavorazione.

Questi processi si basano su tecniche derivate dalla microelettronica e permettono la realizzazione di componenti con profili complessi, stati superficiali controllati e una ripetibilità industriale quasi perfetta in materiali notoriamente amagnetici.

A differenza dei metodi classici (dentatura, fresatura, stampaggio), i processi UV-LIGA e silicio:

• eliminano gli sforzi meccanici durante la fabbricazione
• riguardano materiali amagnetici
• eliminano i difetti legati all’utensile (raggio della fresa, bave)
• permettono una precisione e una ripetibilità superiori

Si inseriscono così in un’evoluzione verso un’orologeria di alta precisione, combinando know-how tradizionale e tecnologie avanzate.

La fabbricazione delle ruote di scappamento tramite UV-LIGA e in silicio con il metodo DRIE illustra l’integrazione delle tecnologie di microfabbricazione nell’orologeria contemporanea. Questi processi permettono di migliorare la precisione, la regolarità e le prestazioni degli scappamenti, aprendo al contempo la strada a nuove architetture.

Costituiscono oggi un complemento ai metodi tradizionali, in particolare nel campo dell’alta orologeria tecnica e della produzione industriale di componenti ad alto valore aggiunto.

8. Fabbricazione artigianale di un pignone di scappamento

Nella fabbricazione a pezzo unico o in piccola serie, il pignone del rotismo di finitura è realizzato in acciaio orologiaio per tornitura automatica, una lega ad alta lavorabilità la cui composizione è adattata alle sollecitazioni meccaniche e ai trattamenti termici propri ai pignoni di movimento. Il pezzo comprende, su entrambi i lati del corpo dentato, due perni e, nel punto previsto per il piattello della ruota, una sede cilindrica sormontata da un tallone da rivettare.

La tornitura è realizzata su un tornio da orologiaio di precisione. L’orologiaio tornisce successivamente i diversi diametri del pignone e sbozza i due perni, la cui qualità geometrica e di stato superficiale condiziona direttamente il funzionamento del rotismo. La sede destinata a ricevere la piastra della ruota è lavorata con un accoppiamento scorrevole rispetto al diametro del foro della piastra, affinché la ruota possa posizionarvisi liberamente prima della ribaditura. Oltre la sede, viene lasciato sporgente un sottile tallone — la ribaditura vera e propria — che sarà rifollato durante l’assemblaggio per immobilizzare la piastra della ruota. I perni sbozzati vengono ripassati al tornio (tornitura fine) e la loro superficie viene incrudita per rullatura.

La dentatura delle ali del pignone viene effettuata su un tornio dotato di un piatto divisore. Una fresa per la dentatura dei pignoni, di profilo adeguato al modulo e al numero di ali (generalmente da sei a dodici per il rotismo di finitura), taglia ogni ala tramite passate successive. Questo procedimento di dentatura per divisione diretta produce un profilo prossimo all’epicicloide o all’evolvente a seconda dell’utensileria utilizzata. La regolazione precisa della profondità di passata è determinante per il futuro ingranamento con la piastra della ruota in ottone del mobile precedente.

Dopo la dentatura, il pignone è sottoposto a un trattamento termico: tempra a olio o ad aria seguita da rinvenimento, al fine di conferire alle ali la durezza necessaria alla resistenza all’usura. I perni sbozzati vengono quindi ripresi al tornio (tornitura di precisione) e la loro superficie viene poi incrudita mediante rullatura.

L’assemblaggio della ruota sul mozzo viene eseguito con una macchina per rivettare: il tallone viene compresso con un rivettatore sagomato, sotto controllo visivo, fino a ottenere una rivettatura regolare a filo della faccia della ruota.

9. Produzione industriale di un pignone di scappamento

Nella produzione in serie, il pignone del rotismo di finitura viene fabbricato mediante tornitura automatica, a partire da una barra di acciaio orologiaio per tornitura automatica. Questo procedimento consente di eseguire in un’unica messa in macchina la tornitura dei perni, dell’albero e di tutti i diametri del pignone, con ritmi elevati e una precisa ripetibilità dimensionale. Le tolleranze sono definite già in fase di programmazione, garantendo l’intercambiabilità dei pignoni nelle catene di assemblaggio e nell’assistenza post-vendita.

La geometria dell’accoppiamento della ruota è lavorata con un accoppiamento scorrevole rispetto al diametro del foro della piattina della ruota, in modo che la ruota si posizioni senza gioco sensibile, ma senza sforzo. La ribaditura è calibrata in diametro e in altezza affinché la successiva operazione di ribaditura produca un rifollamento omogeneo, senza rischio di deformazione della dentatura o della piattina della ruota.

La dentatura delle ali viene realizzata su macchine dentatrici CNC per fresa madre (hobbing), che producono un profilo a evolvente di cerchio con una regolarità geometrica superiore alla dentatura per divisione diretta.

Il trattamento termico — seguito da un rinvenimento controllato — viene eseguito in forno sotto atmosfera protettiva per evitare qualsiasi decarburazione delle superfici funzionali. I perni vengono poi rettificati su rettificatrice cilindrica CNC mediante mole diamantate o in corindone sintetico.

Il Controllo qualità (dimensionale ed estetico) è generalmente integrato in linea. L’operazione di rivettatura della ruota è eseguita su una pressa automatica, il cui profilo di forza viene registrato per ogni pezzo: la curva forza-spostamento garantisce la conformità della ribaditura e costituisce un elemento di tracciabilità dell’Assemblaggio.

10. Specificità tecniche

• La ruota è saldamente rivettata al pignone. Così, il mobile costituisce un insieme perfettamente solidale.
• Il rapporto di dentatura della Ruota di scappamento e dell’intero Rotismo di finitura viene calcolato per garantire una rotazione completa della Ruota centrale in sessanta minuti, condizione essenziale per il trascinamento diretto della bussola (ruota del cannotto) e della Lancetta dei minuti e, per demoltiplicazione, della Lancetta delle ore. (cfr. calcoli l’Organo di conteggio e trasmissione).