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DAS MINUTENRAD

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Abbildung 1

Zusammengebautes Minutenrad

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1. Allgemeine Beschreibung

Das Minutenrad gehört zum Zähl- und Übertragungsorgan, dessen erstes Element der kinematischen Kette es ist.

Das Minutenrad ist eines der grundlegenden Organe des Räderwerks einer mechanischen Uhr. Es wird so genannt, weil es sich in der Regel im Zentrum der Werkplatte befindet (de facto des Uhrwerks). Wenn es von der Werkplatte dezentriert ist, nennt man es gemeinhin Mittelradtrieb-Mobile. Seine Achse durchquert das Uhrwerk, um auf der Seite Zifferblatt, den Zeiger der Minuten mittels des Minutenrohrs. Seine Funktion besteht darin, die Energie des Federhauses an die nachfolgenden Räder zu übertragen und dabei die wichtigste Zeitanzeige, die der Minuten, sowie indirekt die der Stunden, sicherzustellen.

2. Bestandteile

Ein Minutenrad besteht traditionell aus einem Trieb aus Stahl und einer Radscheibe aus Messing:

• Das Minutenrad (Zentrumrad) : Sie hat einen großen Durchmesser und nimmt die zentrale Position im Uhrwerk ein. Ihre Zähnezahl wird so berechnet, dass sie das vereinbarte Übersetzungsverhältnis mit dem Federhaus herstellt und eine Umdrehung pro Stunde gewährleistet. Das Minutenrad (Zentrumrad) (treibend) treibt das Mittelradtrieb an.

Abbildung 2

Minutenrad (Zentrumrad)

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• Der Zentrumtrieb : Aus Stahl gefertigt, bildet er die Achse des Getriebeteils. Er wird durch die Verzahnung des Federhauses angetrieben (geführt). Seine Flügel sind mit Präzision geschnitten, um einen gleichmäßigen Lauf zu gewährleisten und die Reibung zu begrenzen.

Abbildung 3

Zentrumtrieb

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3. Materialien

Traditionell wird das Minutenrad (Zentrumrad) aus vergoldetem Messing hergestellt. Der Trieb besteht aus gehärtetem Stahl, spiegelpoliert, um insbesondere seine mechanische Festigkeit zu erhöhen. Die Zapfen sind gerollt (Oberflächen-Kaltverfestigung). Sie drehen sich in synthetischen Steinen (Rubin) und werden geschmiert, um die Reibung und deren Verschleiss zu minimieren.

Die Paarung eines Rades aus Messing mit einem Trieb aus Stahl ist optimal, um die Reibungen in den Getrieben eines Uhrwerks zu minimieren. Sie kommt bei den meisten übersetzenden oder untersetzenden Räderwerken einer Uhr zur Anwendung (Räderwerke des Finissages, der Zeigerwerkstellung usw.).

4. Handwerkliche Herstellung eines Rades (Minutenrad)

Bei der Einzel- oder Kleinserienfertigung wird die Radrohplatte aus Messing in Uhrmacherqualität, typischerweise eine gewalzte Kupfer-Zink-Legierung (CuZn37), ausgewählt aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften, ihrer Bearbeitbarkeit und ihrer Kompatibilität mit nachfolgenden Oberflächenbehandlungen.

Die Fertigung beginnt mit dem Drehen einer rohen Scheibe aus einer Stange oder einem Band aus Messing. Auf einer Drehbank für Uhrmacher führt der Dreher nacheinander das Abrichten der beiden Flächen, das Abdrehen des Außendurchmessers (Gesamtdurchmesser der künftigen Verzahnung) und das Bohren des Mittellochs aus. Dieses Loch wird anschließend sorgfältig ausgerieben: sein Durchmesser wird geringfügig kleiner gehalten als der des Bunds des Ritzels aus Stahl, auf den das Rad genietet wird, um einen festen Sitz und eine schlupffreie Drehmomentübertragung zu gewährleisten. Je nach Profil und Qualität des Rades kann auf einer oder beiden Seiten des Rades eine Zierleiste gedreht werden.

Um die Speichen des Rades (in der Regel fünf an der Zahl) zu durchbrechen, werden in den Zwischenräumen Auslösungslöcher gebohrt, anschließend wird das Material mit der Laubsäge. Anschließend werden die Speichen von Hand gefeilt und ausgeglichen. Dieser zeitaufwendige Arbeitsschritt trägt dazu bei, die Trägheit des Rads zu verringern, und stellt ein ästhetisches Kriterium dar.

Die so vorbereitete Platte wird anschließend auf das Spannfutter einer Drehbank oder die Spindeln einer Rund- oder Verzahnungsmaschine montiert. Handelt es sich um eine Drehbank, ist diese mit einer Teilscheibe ausgestattet, die es ermöglicht, jede Winkelposition entsprechend der gewünschten Zähnezahl präzise zu indexieren. Ein Fräser nach Modul — dessen Profil auf den Modul und den Eingriffswinkel der Verzahnung abgestimmt ist — schneidet die Zähne einzeln in aufeinanderfolgenden Durchgängen. Für das Finissage-Räderwerk sind die Module in der Regel sehr klein (etwa 0,07 bis 0,15 mm), was hochpräzise Fräser und eine strenge Einspannung des Werkstücks erfordert.

Die Endbearbeitung umfasst das Entgraten der scharfen Kanten, den Kreisschliff der Flächen, die eventuelle Politur der Profile, das eventuelle Anglieren, dann eine Oberflächenbehandlung durch galvanische Vergoldung. Diese Goldschicht mit kontrollierter Dicke verbessert die Korrosionsbeständigkeit und verleiht der Scheibe ihr charakteristisches goldenes Aussehen. Der Nietvorgang am Stahltrieb wird mithilfe eines Nietständers durchgeführt.

5. Industrielle Fertigung eines Rades (Minutenrad)

In der industriellen Fertigung ist die Herstellung der Radscheibe als kontinuierlicher Fluss ausgehend von einem Band aus Messing gewalzt (CuZn37 oder ähnlich), in Form von Coils konfektioniert. Der erste Arbeitsgang ist der fortlaufende Zuschnitt (Stanzen), der auf einer Presse mit kombinierten Werkzeugen durchgeführt wird: In einem einzigen Hub wird das Band vorgestanzt, gemäß der Zeichnung des Rades durchbrochen und auf seinen endgültigen Umriss zugeschnitten (Durchbrechen der Speichen inbegriffen). Diese Technik ermöglicht es, mehrere hundert Platinen pro Minute mit hoher Reproduzierbarkeit zu erhalten.

Die zentrale Bohrung, die zum Vernieten auf dem Trieb aus Stahl bestimmt ist, wird beim Zuschnitt erzielt, ist jedoch in der Regel Gegenstand eines nachträglichen Ausreibens. Die Maßtoleranz des Innendurchmessers ist eng gefasst, um eine kontrollierte und über die gesamte Serie hinweg einheitliche Presspassung zu gewährleisten. Die Ebenheit der Platine wird an diesem Punkt ebenfalls geprüft, wobei jeglicher Restverzug durch Richten beseitigt wird.

Das Schneiden der Verzahnung erfolgt auf CNC-Verzahnungsmaschinen. Für die gängigen Module des Minutenradwerks wird das Abwälzfräsen mit der Mutterfräser (Wälzfräsen), das ein Zahnprofil in Evolventenform mit hoher geometrischer Regelmäßigkeit erzeugt. Für die feinsten Module, unter 0,07 mm, greifen manche Hersteller auf dieElektroerosion durch Draht (WEDM) oder auf den Laserschnitt zurück, die es ermöglichen, Präzisionen zu erreichen, die mit herkömmlicher Materialabtragung sonst schwer zu erzielen sind.

Je nach erforderlichem Qualitätsniveau erfolgt das Entgraten kontinuierlich durch Trommeln in Vibrationsbehältern, die mit geeigneten Schleifmedien gefüllt sind, wodurch Schnittgrate entfernt werden, ohne die Zahnflanken zu beeinträchtigen. Traditionelle Oberflächenveredelungen (Kreisschliff, Anglieren, Politur) sind in der Haute Horlogerie Standard. Die Oberflächenbehandlungen – in der Regel eine Vergoldung galvanisch — wird auf lose Platinen aufgebracht, wodurch eine gleichmäßige Schichtdicke auf allen Teilen gewährleistet wird.

Die Qualitätskontrolle ist in den Produktionsablauf integriert. Bildverarbeitungssysteme messen inline das Radprofil, die Verzahnungsteilung, den Durchmesser der Presslochbohrung und erkennen Oberflächenfehler. Der Nietvorgang am Stahltrieb wird anschließend auf einer automatischen Presse mit kontrollierter Kraft durchgeführt, wobei die Kraft-Weg-Kurve für jeden Zusammenbau aufgezeichnet wird, was die Rückverfolgbarkeit und die Konformität der Passung gewährleistet.

6. Handwerkliche Fertigung eines Triebs (Zentrumtrieb)

Bei der Einzel- oder Kleinserienfertigung wird das Trieb des Minutenradgetriebes aus Stahl für die Uhren-„Décolletage“ hergestellt, einer Legierung mit hoher Zerspanbarkeit, deren Zusammensetzung an die mechanischen Beanspruchungen und an die Wärmebehandlungen, die für Uhrwerktriebe typisch sind. Das Teil umfasst beidseitig des verzahnten Körpers zwei Zapfen und, an der für die Radscheibe vorgesehenen Stelle, einen zylindrischen Sitz, über dem sich ein zu vernietender Absatz befindet.

Das Drehen erfolgt auf einer Drehbank für Feinmechanik des Uhrmachers, der Uhrmacherin. Der Uhrmacher, die Uhrmacherin dreht nacheinander die verschiedenen Durchmesser des Triebs und arbeitet die beiden Zapfen vor, deren geometrische Qualität und Oberflächenzustand die Funktion des Räderwerks unmittelbar bestimmen. Der zur Aufnahme der Radscheibe bestimmte Sitz wird mit einer Gleitpassung zum Durchmesser des Lochs der Radscheibe bearbeitet, damit sich das Rad vor dem Vernieten frei darauf positionieren lässt. Über den Sitz hinaus wird ein dünner Absatz — die eigentliche Nietstelle — überstehend belassen; dieser wird beim Zusammenbau gestaucht, um die Radscheibe zu fixieren. Die vorgearbeiteten Zapfen werden abgedreht (Feindrehen) und ihre Oberfläche anschließend durch Walzen kaltverfestigt.

Das Schneiden der Flügel des Triebs erfolgt auf einer Drehbank, die mit einer Teilscheibe ausgestattet ist. Ein Fräser zum Schneiden von Trieben, mit einem dem Modul und der Anzahl der Flügel entsprechenden Profil (im Allgemeinen sechs bis zwölf für das Räderwerk des Minutenwerks), schneidet jeden Flügel in aufeinanderfolgenden Durchgängen. Dieses Schneidverfahren durch direkte Teilung ergibt je nach verwendetem Werkzeug ein Profil, das der Epizykloide oder der Evolvente nahekommt. Die präzise Einstellung der Schnitttiefe ist entscheidend für den künftigen Eingriff mit der Radscheibe aus Messing des vorhergehenden Rades (hier des Federhauses).

Nach dem Schneiden wird der Trieb einer Wärmebehandlung unterzogen: Härten in Öl oder Luft, gefolgt von einem Anlassen, um den Flügeln die für die Verschleißfestigkeit erforderliche Härte zu verleihen. Die vorgearbeiteten Zapfen werden anschließend abgedreht (Feindrehen) und ihre Oberfläche wird durch Walzen kaltverfestigt.

Der Zusammenbau der Radscheibe auf dem Sitz erfolgt mithilfe eines Nietständers: Der Absatz wird mit einem Formnietwerkzeug unter visueller Kontrolle gestaucht, bis eine gleichmäßige Nietung erzielt wird, die bündig mit der Radfläche abschließt.

7. Industrielle Herstellung eines Triebs (Zentrumtrieb)

In der Serienproduktion wird das Trieb des Zeigerwerkrädertriebs im automatischen „Décolletage“-Verfahren aus einer Stange Uhrmacher-Décolletagestahl gefertigt. Dieses Verfahren ermöglicht es, das Drehen der Zapfen, der Welle und sämtlicher Durchmesser des Trieblings in einer einzigen Aufspannung mit hohen Taktraten und präziser maßlicher Wiederholbarkeit 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 zum Durchmesser der Bohrung der Radscheibe bearbeitet, sodass sich das Rad ohne spürbares Spiel, aber ohne Kraftaufwand positioniert. Der Nietansatz ist im Durchmesser und in der Höhe so kalibriert, dass der anschließende Nietvorgang eine gleichmäßige Stauchung erzeugt, ohne die Verzahnung oder die Radscheibe zu verformen.

Das Verzahnen der Flügel erfolgt auf CNC-Verzahnmaschinen im Abwälzfräsen mit Fräser (Wälzfräsen), die ein Evolventenprofil mit einer geometrischen Regelmäßigkeit erzeugen, die dem Verzahnen durch direkte Teilung überlegen ist.

Die Wärmebehandlung — gefolgt von einem kontrollierten Anlassen — erfolgt in einem 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 ästhetisch) ist in der Regel in die Linie integriert. Der Vernietungsvorgang der Radscheibe wird auf einer automatischen Presse durchgeführt, deren Kraftprofil für jedes Teil aufgezeichnet wird: Die Kraft-Weg-Kurve garantiert die Konformität des Stauchens und stellt ein Rückverfolgbarkeitselement des Zusammenbaus dar.

8. Technische Besonderheiten

• Die Radscheibe ist fest mit dem Trieb vernietet. So bildet das Trieb eine vollkommen fest verbundene Einheit.
• Das Zähnezahlverhältnis des Minutenrads sowie des gesamten Zeigerwerks wird so berechnet, dass eine vollständige Umdrehung des Minutenrads in sechzig Minuten gewährleistet ist – eine wesentliche Voraussetzung für den direkten Antrieb des Minutenrohrs und des Zeigers der Minuten und, durch Untersetzung, des Stundenzeigers.

9. Rolle im Uhrwerk

Das Minutenrad ist gleichzeitig ein Übertragungs- und Zählorgan:

• Übertragung: Es leitet die Energie des Federhauses direkt an den Rest des Räderwerks weiter (Mittelrad-, Sekunden- und Hemmungstriebe).
• Zählen: Seine Achse, die das Uhrwerk durchquert, bildet das Trägerorgan für das Minutenrohr und den Minutenzeiger – der zentrale Drehpunkt, um den sich die gesamte Zeitanzeige entfaltet.