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DAS ANKERRAD

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Abbildung 1

Plan eines Ankerrads (Hemmungsrad)

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1. Allgemeine Beschreibung

Man verwendet ebenfalls den Begriff Ankerrad, um das Ankerrad (Hemmungsrad) zu bezeichnen. In der kinematischen Kette des Uhrwerks befindet sich das Ankerrad (Hemmungsrad) im Anschluss an das Sekundenrad. Obwohl das Ankerrad (Hemmungsrad) ein einziges, fest verbundenes Bauteil bildet, gehört sein Trieb zum Zähl- und Übertragungsorgan (Räderwerk der Fertigmontage), während sein Rad zum Verteilerorgan (Hemmung) gehört.

2. Komponenten

Das Trieb

Das Trieb ist den Trieben der anderen Räder ähnlich. Es wird vom Sekundenrad angetrieben (mitgenommen) und gehört zum Zähl- und Übertragungsorgan (Räderwerk).

Abbildung 2

Plan eines Ankerradtriebs

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Das Rad

Die Radscheibe unterscheidet sich hingegen durch die Form ihrer Zahnung und den Werkstoff, der für ihre Herstellung verwendet wird. In der Regel aus Stahl, kann die Radscheibe je nach Herstellungsmethode und Hemmungstyp auch aus Nickel-Phosphor (NiP) gefertigt sein (UV-LIGA) oder aus Silizium (DRIE). Stahl wird bevorzugt, wenn das Ankerrad (Hemmungsrad) seinen Impuls auf Paletten aus Rubin übertragen soll (z. B. bei der Schweizer Ankerhemmung). Diese Werkstoffkombination begrenzt die Reibung bei der Schweizer Ankerhemmung optimal, die in mehr als 99 % der modernen Uhren verwendet wird.

Abbildung 3

Plan eines Ankerrads (Hemmungsrad)

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Eine Geometrie mit 4 Armen
Aufgrund ihrer geringen Größe und der Steifheit ihres Werkstoffs weisen Ankerräder in der Regel nur vier Speichen auf (gegenüber fünf bei den Rädern des Minutenräderwerks). Das Rad ist dadurch umso leichter, wobei die Leichtigkeit insbesondere für das Ankerrad eine wesentliche Eigenschaft darstellt.

Eine spezifische Verzahnung
Die besondere Verzahnung des Rades ist für sein spezielles Zusammenwirken mit dem Anker konzipiert. Der Anker, das Ankerrad (Hemmungsrad) und die Doppelscheibe bilden die Hemmung, die eine doppelte Aufgabe erfüllt: Zum einen das Uhrwerk anzuhalten, während die Unruh frei ihre Schwingung ausführt, und zum anderen regelmäßige Impulse an das Regulierorgan durch Umwandlung der Drehbewegung des Räderwerks der Fertigstellung in eine Schwingung des Regulierorgans.

Abbildung 4

Geometrie des Ankerrads (Hemmungsrad)

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3. Geschichte

Die ersten Hemmungen erscheinen bereits im 8. ^Jahrhundert in China. Sie werden sich unaufhörlich weiterentwickeln, eine Vielzahl von Varianten erfahren und stets Gegenstand von Forschung und Studien sein, die auf eine Verbesserung ihrer Leistungen abzielen. Der Anker wurde 1657 von Robert Hooke erfunden. Sie regulierte damals nur Uhren und setzte sich aufgrund ihrer Präzision und ihres geringen Energieverbrauchs allgemein durch. Eine der größten Herausforderungen für die Uhrmacher, Uhrmacherin des 18^e Jahrhunderts bestand darin, Hemmungsarten zu finden, die in einer getragenen Uhr funktionieren konnten und dabei nur einem Minimum an Einflüssen durch die Lagen der Uhr und durch Stöße unterlagen.

Die englischen Uhrmacher, Uhrmacherin waren die erfindungsreichsten und produktivsten in Bezug auf Hemmungen. Auch die Erfindung der Ankerhemmung geht auf einen von ihnen, Thomas Mudge, zurück. Diese Hemmung wurde fortan für hochwertige Uhren hergestellt, bevor sie sich zwischen Ende des 19. Jahrhunderts und Anfang des 20^e Jahrhunderts allgemein durchsetzte. Die Industrialisierung ermöglichte es, ihre Präzision zu verbessern und ihre Herstellungskosten zu senken. Der Fortschritt bei den Hemmungsberechnungen und die Leistungsfähigkeit der Werkzeuge und Maschinen ermöglichen es Ende der sechziger Jahre, die Anzahl der Zähne des Ankerrads (Hemmungsrads) zu erhöhen und so höhere Regulierungsfrequenzen (bis zu 5 Hz) zu erreichen. Die letzte und eine der bedeutendsten Entwicklungen kam zu Beginn des 21. Jahrhunderts mit der uhrmacherischen Anwendung von Silizium, das durch photolithografisches Verfahren hergestellt wird (DRIE-Gravur). Die Vorteile dieser industriellen Methode sind zahlreich: Die Ankerräder (Hemmungsräder) benötigen keine teuren Fräser mehr für das Schneiden der Verzahnungen, der Werkstoff kann maximal leichtgemacht werden und ist unmagnetisch.

4. Materialien

Traditionell ist das Ankerradtrieb aus Stahl. Jüngste Entwicklungen erforschen die Herstellung von Ankerradtrieben aus Keramik, die mittels Femtolaser bearbeitet werden, um vollständig unmagnetische Hemmungen herzustellen.

Das Ankerrad (Hemmungsrad) wird ebenfalls traditionell aus Stahl gefertigt. Die Suche nach leichteren Materialien, die in ihren Profilen komplex und vor allem unmagnetisch sind, führte bereits Anfang der 2000er-Jahre zum Aufkommen von Rädern aus Nickel-Phosphor (mittels UV-LIGA-Technologie) oder aus Silizium (mittels DRIE-Technologie). Diese Technologien sind immer weiter verbreitet und ersetzen zunehmend den Einsatz von Stahl.

5. Handwerkliche Fertigung eines Ankerrads (Hemmungsrad)

Je nach Art der Hemmung können unterschiedliche Materialien für die Fertigung der Platine des Ankerrads (Hemmungsrad) verwendet werden, und die Fertigungsschritte können je nach Fall unterschiedlich sein. Im Falle einer Anker Ankerhemmung wird das Ankerrad (Hemmungsrad) in der Regel aus Stahl gefertigt. Der Handwerker geht dabei nach der gleichen Methode vor wie bei einer traditionellen Radscheibe. Das Schneiden der Verzahnung erfordert jedoch die Verwendung unterschiedlicher Fräser, in der Regel vier an der Zahl. Es kann mit einer Zahnradschneidemaschine oder einer Drehbank mit Teilscheibe durchgeführt werden. Die Kosten der Fräser und die zahlreichen Arbeitsschritte, die für seine Herstellung notwendig sind, machen das Ankerrad (Hemmungsrad) zu einem besonders teuren Trieb in der Herstellung. Traditionell werden die Flächen des Ankerrads (Hemmungsrads) poliert. Diese Endbearbeitung verhindert, dass das Öl, das die Reibung zwischen der Verzahnung des Ankerrads (Hemmungsrads) und den Ankerpaletten begrenzt, auf den flachen Seiten des Rads verläuft. Eine Oberflächenbehandlung des Rads namens Epilamisierung ermöglicht es ebenfalls, das Öl in die Verzahnung, ohne dass er über die Oberflächen der Platine entweicht.

6. Industrielle Fertigung eines Ankerrads (Hemmungsrad)

Industriell wird das Ankerrad (Hemmungsrad) mithilfe eines Drehautomaten gedreht und bearbeitet, der auch die Arme der Platine fräsen kann. Das Schneiden der Verzahnung erfolgt auf einer Verzahnungsmaschine und erfordert auch in diesem Fall den Einsatz mehrerer Fräser sowie ebenso vieler Schneidvorgänge.

7. High-Tech-Fertigungsmethoden eines Ankerrads (Hemmungsrad)

Die Mikrofertigungstechnologien haben die Produktion bestimmter Uhrenkomponenten tiefgreifend verändert, insbesondere die Komponenten der Hemmung. Zu diesen Verfahren gehören die Herstellung durch UV-LIGA und die durch Silizium-Gravur (DRIE) ermöglichen es, Ankerräder (Hemmungsräder) mit einer extrem hohen geometrischen Präzision zu erhalten, die mit traditionellen Bearbeitungsmethoden nur schwer erreichbar ist.

Diese Verfahren beruhen auf Techniken aus der Mikroelektronik und ermöglichen die Herstellung von Teilen mit komplexen Profilen, kontrollierten Oberflächenzuständen und einer nahezu perfekten industriellen Wiederholbarkeit in Werkstoffen, die als unmagnetisch gelten.

Im Gegensatz zu den klassischen Methoden (Abwälzfräsen, Fräsen, Stanzen), bieten die UV-LIGA- und Silizium-Verfahren:

• Beseitigen mechanische Belastungen während der Herstellung
• Betreffen unmagnetische Materialien
• Beseitigen werkzeugbedingte Fehler (Fräserradius, Grate)
• Ermöglichen eine höhere Präzision und Wiederholbarkeit

Sie fügen sich damit in eine Entwicklung hin zu einer hochpräzisen Uhrmacherei ein, die traditionelles Know-how mit fortschrittlichen Technologien verbindet.

Die Herstellung von Ankerrädern (Hemmungsrädern) mittels UV-LIGA und aus Silizium mittels DRIE-Verfahren veranschaulicht die Integration von Mikrofertigungstechnologien in die zeitgenössische Uhrmacherei. Diese Verfahren ermöglichen es, die Präzision, die Regelmäßigkeit und die Leistung der Hemmungen zu verbessern und eröffnen zugleich den Weg zu neuen Architekturen.

Sie stellen heute eine Ergänzung zu den traditionellen Methoden dar, insbesondere im Bereich der technischen Haute Horlogerie und der industriellen Fertigung von Komponenten mit hoher Wertschöpfung.

8. Handwerkliche Fertigung eines Ankerradtriebs

Bei der Einzelfertigung oder Kleinserienfertigung wird das Trieb des Räderwerks aus Stahl Uhrmacher-Décolletage, eine Legierung mit hoher Zerspanbarkeit, deren Zusammensetzung auf die mechanischen Beanspruchungen und die Wärmebehandlungen abgestimmt ist, die für Uhrwerktriebe typisch sind. Das Teil weist beidseitig des gezahnten Körpers zwei Zapfen auf sowie an der für die Radplatte vorgesehenen Stelle einen zylindrischen Sitz mit einem darüber angebrachten Nietansatz.

Das Drehen erfolgt auf einer Drehbank Präzisionsuhrmacherarbeit. Der Uhrmacher, die Uhrmacherin dreht nacheinander die verschiedenen Durchmesser des Triebs und arbeitet die beiden Zapfen vor, deren geometrische Qualität und Oberflächenbeschaffenheit direkt das Funktionieren des Räderwerks bestimmt. Der Sitz, der die Radscheibe aufnehmen soll, wird mit einer Gleitpassung zum Lochdurchmesser der Scheibe bearbeitet, damit sich das Rad vor dem Vernieten frei darauf positionieren kann. Über den Sitz hinaus bleibt ein dünner Absatz — die eigentliche Nietung — überstehend; dieser wird beim Zusammenbau umgestaucht, um die Radscheibe zu fixieren. Die vorgearbeiteten Zapfen werden abgedreht (Feindrehen) und ihre Oberfläche anschließend durch Rollieren verfestigt.

Das Fräsen der Flügel des Triebs erfolgt auf einer Drehbank mit Teilscheibe. Ein Fräser zum Fräsen von Trieben, dessen Profil dem Modul und der Flügelzahl entspricht (im Allgemeinen sechs bis zwölf für das Räderwerk des Minutenwerks), fräst jeden Flügel in aufeinanderfolgenden Durchgängen. Dieses Fräsverfahren durch direkte Teilung ergibt je nach verwendetem Werkzeug ein Profil, das nahe an der Epizykloide oder der Evolvente liegt. Die präzise Einstellung der Schnitttiefe ist entscheidend für den späteren Eingriff mit der Messing-Radscheibe des vorhergehenden Rädchens.

Nach dem Fräsen wird das Trieb einer Wärmebehandlung unterzogen: Härten in Öl oder Luft, gefolgt von einem Anlassen, um den Flügeln die für die Verschleißfestigkeit notwendige Härte zu verleihen. Die vorbearbeiteten Zapfen werden anschließend abgedreht (Feindrehen) und ihre Oberfläche wird durch Rollieren verfestigt.

Der Zusammenbau der Radscheibe auf dem Sitz erfolgt mit Hilfe eines Nietstocks: Der Zapfenfuß wird mit einem Formnietstift unter visueller Kontrolle gestaucht, bis eine gleichmäßige Vernietung erreicht ist, die mit der Radfläche bündig abschließt.

9. Industrielle Fertigung eines Ankerradtriebs

In der Serienfertigung wird das Trieb des Zeigerwerks-Räderwerks durch automatisches „Décolletage“ aus einer Stange Uhrmacher-„Décolletage“-Stahl hergestellt. Dieses Verfahren ermöglicht es, in einer einzigen Aufspannung das Drehen der Zapfen, der Welle und aller Durchmesser des Triebs mit hohen Taktraten und präziser maßlicher Wiederholgenauigkeit durchzuführen. Die Toleranzen werden bereits bei der Programmierung festgelegt, was die Austauschbarkeit der Triebe in den Montagelinien und im Kundendienst gewährleistet.

Die Geometrie der Radpassung wird mit einer Gleitpassung im Verhältnis zum Durchmesser der Bohrung der Radscheibe bearbeitet, sodass sich das Rad ohne merkliches Spiel, aber ohne Kraftaufwand positioniert. Die Nietung ist in Durchmesser und Höhe so kalibriert, dass der anschließende Nietvorgang eine gleichmäßige Verdrängung erzeugt, ohne die Gefahr einer Verformung der Verzahnung oder der Radscheibe.

Das Verzahnen der Flügel erfolgt auf CNC-Wälzfräsmaschinen mit Abwälzfräsen mittels Schneckenfräser (Abwälzfräsen), die ein Evolventenprofil mit einer geometrischen Gleichmäßigkeit erzeugen, die dem Verzahnen durch direkte Teilung überlegen ist.

Die Wärmebehandlung — gefolgt von einem kontrollierten Anlassen — erfolgt im Ofen unter Schutzatmosphäre, um jegliche Entkohlung der Funktionsflächen zu vermeiden. Die Zapfen werden anschließend auf einer CNC-Rundschleifmaschine mit Diamant- oder Korund-Schleifscheiben geschliffen.

Die Qualitätskontrolle (dimensional und optisch) ist in der Regel inline integriert. Der Vernietungsvorgang der Radscheibe wird auf einer automatischen Presse durchgeführt, deren Kraftverlauf für jedes Teil aufgezeichnet wird: Die Kraft-Weg-Kurve gewährleistet die Konformität der Verstauchung und stellt ein Element der Rückverfolgbarkeit des Zusammenbaus dar.

10. Technische Besonderheiten

• Die Radscheibe wird fest mit dem Trieb vernietet. So bildet das Rad eine vollkommen feste Einheit.
• Das Verzahnungsverhältnis des Ankerrads und des gesamten Finissage-Räderwerks wird berechnet, um eine vollständige Umdrehung des Minutenrads in sechzig Minuten zu gewährleisten, eine wesentliche Voraussetzung für den direkten Antrieb des Minutenrohrs und des Minutenzeigers sowie, über Untersetzung, des Stundenzeigers. (siehe Berechnungen Zähl- und Übertragungsorgan).