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Figure 1
Plan d’un mobile d’échappement
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1. Description générale
On utilise également le terme de mobile (ou roue) d’ancre pour désigner le mobile d’échappement. Dans la chaîne cinématique du mouvement, le mobile d’échappement se situe à la suite du mobile de secondes. Bien que le mobile d’échappement constitue un composant unique et solidaire, son pignon appartient à l’organe de comptage et de transmission (rouage de finissage), alors que sa roue fait partie de l’organe de distribution (échappement).
2. Composants
Le pignon
Le pignon est semblable à ceux des autres mobiles. Il est entrainé (mené) par la roue de secondes et appartient à l’organe de comptage et de transmission (rouage de finissage).
Figure 2
Plan d’un pignon d’échappement
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La roue
En revanche, la planche de roue s’en distingue par la forme de sa denture et le matériau employé à sa fabrication. Généralement en acier, la planche de la roue pourra selon la méthode de fabrication et le type d’échappement être faite en nickel-phosphore (NiP)(UV-LIGA) ou en silicium (DRIE). L’acier sera privilégié lorsque la roue d’échappement transmettra son impulsion à des palettes en rubis (p.ex. échappement à ancre suisse). Cette combinaison de matériaux limite de manière optimale les frictions dans le cas de l’échappement à ancre suisse qui est utilisé dans plus de 99% des montres modernes.
Figure 3
Plan d’une roue d’échappement
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Une géométrie à 4 bras
Par leur petite taille et la rigidité de leur matériau, les roues d’échappement ne comptent généralement que quatre bras (contre cinq pour les roues du rouage de finissage). La roue est ainsi d’autant moins lourde, la légèreté étant une qualité primordiale pour le mobile d’échappement en particulier.
Une denture spécifique
La denture particulière de la roue est dessinée pour son interaction particulière avec l’ancre. L’ancre, la roue d’échappement et le double-plateau constituent l’échappement qui remplit un double rôle : Celui de stopper le mouvement lorsque le balancier effectue librement son oscillation et celui de transmettre des impulsions régulières à l’organe régulateur en transformant le mouvement de rotation du rouage de finissage en un mouvement oscillatoire de l’organe régulateur.
Figure 4
Géométrie de la roue d’échappement
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3. Historique
Les premiers échappements apparaissent en Chine au 8e siècle déjà. Ils ne cesseront d’évoluer, de connaitre une multitude de diversités et d’être le fruit permanent de recherches et d’études visant à en améliorer les performances. L’ancre est inventée en 1657 par Robert Hooke. Il ne régule alors que des horloges et se généralise, pour sa précision et sa faible consommation d’énergie. L’un des plus grands défis qu’auront eu les horlogers du 18e siècle fut de trouver des types d’échappement capables de fonctionner dans une montre portée, en subissant un minimum d’influences dues aux positions de la montre et aux chocs.
Les horlogers anglais furent les plus inventifs et les plus prolifiques en termes d’échappement. C’est encore à l’un d’eux, Thomas Mudge, que l’on doit l’invention de …l’échappement à ancre suisse. Cet échappement a été produit dès lors pour des montres de haut de gamme avant de se généraliser et de s’imposer définitivement entre la fin du 19e siècle et le début du 20e siècle. L’industrialisation permettant d’en améliorer la précision et d’en diminuer les coûts de fabrication. Le progrès des calculs d’échappement et les performances des outils et des machines permettent, à la fin des années soixante, d’augmenter le nombre de dents de la roue d’échappement et d’atteindre ainsi des fréquences de réglage plus élevées (jusqu’à 5 Hz). La dernière et l’une des plus significatives évolutions est arrivée au tout début du 21e siècle avec l’application horlogère du silicium produit par procédé photo-lithographique (gravure D.R.I.E.). Les avantages de cette méthode industrielle sont nombreux : Les roues d’échappement ne nécessitent plus de fraises couteuses pour le taillage des dentures, le matériau peut être allégé au maximum et est amagnétique.
4. Matériaux
Traditionnellement, le pignon d’échappement est en acier. De récents développements explorent la fabrication de pignons d’échappement en céramique usinés par femto-laser afin de produire des échappements complètement amagnétiques.
La roue d’échappement est elle aussi fabriquée traditionnellement en acier. La recherche de matériaux plus légers, complexes dans leurs profils et surtout amagnétiques a vu apparaître dès le début des années 2000, des roues fabriquées en nickel phosphore (par la technologie UV-LIGA) ou en silicium (par la technologie DRIE). Ces technologies sont de plus en plus répandues et tendent à remplacer progressivement l’usage de l’acier.
5. Fabrication artisanale d’une roue d’échappement
Selon le type d’échappement, différents matériaux pourront être utilisés pour la fabrication de la planche de la roue d’échappement et les opérations de fabrication pourront différer selon les cas. Dans le cas d’un échappement à ancre suisse, la roue d’échappement sera généralement en acier. L’artisan procédera selon la même méthode que pour une planche de roue traditionnelle. Le taillage de la denture, demande cependant l’usage de fraises différentes généralement au nombre de quatre. Il pourra être réalisé à l’aide d’une machine à tailler les engrenages ou d’un tour doté d’un plateau diviseur. Le coût des fraises et les nombreuses opérations nécessaires à sa fabrication font de la roue d’échappement un mobile particulièrement onéreux à fabriquer. Traditionnellement, les faces de la roue d’échappement sont polies. Cette terminaison permet d’éviter que l’huile limitant la friction entre la denture de la roue d’échappement et les palettes de l’ancre ne glisse sur les plats de la roue. Un traitement de surface de la roue appelé épilamage permet également de contenir l’huile dans la denture sans qu’elle n’échappe sur les surfaces de la planche.
6. Production industrielle d’une roue d’échappement
Industriellement, la roue d’échappement est tournée et usinée à l’aide d’une décolleteuse qui peut également fraiser les bras de la planche. Le taillage de la denture se fait sur une machine à tailler et nécessite, dans ce cas également, l’usage de plusieurs fraises et autant d’opérations de taillage.
7. Méthodes de production high-tech d’une roue d’échappement
Les technologies de microfabrication ont profondément transformé la production de certains composants horlogers, en particulier les composants de l’échappement. Parmi ces procédés, la fabrication par UV-LIGA et celle par gravure du silicium (DRIE) permettent d’obtenir des roues d’échappement d’une précision géométrique extrêmement élevée, difficilement atteignable par les méthodes traditionnelles d’usinage.
Ces procédés reposent sur des techniques issues de la microélectronique et permettent la réalisation de pièces présentant des profils complexes, des états de surface maîtrisés et une répétabilité industrielle quasi parfaite dans des matériaux réputés amagnétiques.
Contrairement aux méthodes classiques (taillage, fraisage, étampage), les procédés UV-LIGA et silicium :
- Suppriment les efforts mécaniques lors de la fabrication
- Concernent des matériaux amagnétiques
- Éliminent les défauts liés à l’outil (rayon de fraise, bavures)
- Permettent une précision et une répétabilité supérieures
Ils s’inscrivent ainsi dans une évolution vers une horlogerie de haute précision, combinant savoir-faire traditionnel et technologies avancées.
La fabrication des roues d’échappement par UV-LIGA et en silicium par méthode DRIE illustre l’intégration des technologies de microfabrication dans l’horlogerie contemporaine. Ces procédés permettent d’améliorer la précision, la régularité et les performances des échappements, tout en ouvrant la voie à de nouvelles architectures.
Ils constituent aujourd’hui un complément aux méthodes traditionnelles, particulièrement dans le domaine de la haute horlogerie technique et de la production industrielle de composants à haute valeur ajoutée.
8. Fabrication artisanale d’un pignon d’échappement
Dans la fabrication à l’unité ou en petite série, le pignon du rouage de finissage est réalisé en acier horloger de décolletage, un alliage à haute usinabilité dont la composition est adaptée aux contraintes mécaniques et aux traitements thermiques propres aux pignons de mouvement. La pièce comprend, de part et d’autre du corps denté, deux pivots et, à l’emplacement prévu pour la planche de roue, un siège cylindrique surmonté d’un talon à river.
Le tournage est réalisé sur un tour d’horloger de précision. L’horloger tourne successivement les différents diamètres du pignon et en ébauche les deux pivots, dont la qualité géométrique et d’état de surface conditionne directement le fonctionnement du rouage. Le siège destiné à recevoir la planche de roue est usiné avec un ajustement glissant par rapport au diamètre du trou de la planche, afin que la roue puisse s’y positionner librement avant le rivetage. Au-delà du siège, un talon mince — la rivure à proprement parler — est laissé en saillie ; c’est lui qui sera refoulé lors de l’assemblage pour immobiliser la planche de roue. Les pivots ébauchés sont pivotés (tournage fin) puis leur surface est écrouie par roulage.
Le taillage des ailes du pignon est effectué sur un tour équipé d’un plateau diviseur. Une fraise à tailler les pignons, de profil approprié au module et au nombre d’ailes (généralement six à douze pour le rouage de finissage), taille chaque aile par passes successives. Ce procédé de taillage par division directe donne un profil proche de l’épicycloïde ou de la développante selon l’outillage utilisé. Le réglage précis de la profondeur de passe est déterminant pour l’engrènement futur avec la planche de roue en laiton du mobile précédent.
Après le taillage, le pignon est soumis à un traitement thermique : trempe à l’huile ou à l’air suivie d’un revenu, afin de conférer aux ailes la dureté nécessaire à la résistance à l’usure. Les pivots ébauchés sont alors pivotés (tournage fin) puis leur surface est écrouie par roulage.
L’assemblage de la planche de roue sur le siège est réalisé à l’aide d’une potence à riveter: le talon est refoulé à l’aide d’un rivoir de forme, sous contrôle visuel, jusqu’à l’obtention d’une rivure régulière affleurant la face de la roue.
9. Production industrielle d’un pignon d’échappement
En production de série, le pignon du rouage de finissage est fabriqué par décolletage automatique, à partir d’une barre d’acier horloger de décolletage. Ce procédé permet d’enchaîner en une seule mise en train le tournage des pivots, de l’arbre et de l’ensemble des diamètres du pignon avec des cadences élevées et une répétabilité dimensionnelle précise. Les tolérances sont définies dès la programmation, garantissant l’interchangeabilité des pignons dans les chaînes d’assemblage et en service après-vente.
La géométrie de l’ajustement de la roue est usinée avec un ajustement glissant par rapport au diamètre du trou de la planche de roue, de sorte que la roue vienne se positionner sans jeu sensible mais sans effort. La rivure est calibrée en diamètre et en hauteur pour que l’opération de rivetage ultérieure produise un refoulement homogène, sans risque de déformation de la denture ou de la planche de la roue.
Le taillage des ailes est réalisé sur des machines à tailler CNC à génération par fraise-mère (hobbing), qui produisent un profil en développante de cercle d’une régularité géométrique supérieure au taillage par division directe.
Le traitement thermique — suivi d’un revenu contrôlé — est effectué en four sous atmosphère protectrice pour éviter toute décarburation des surfaces fonctionnelles. Les pivots sont ensuite rectifiés sur rectifieuse cylindrique CNC à l’aide de meules diamantées ou en corindon synthétique.
Le contrôle qualité (dimensionnel et esthétique) est généralement intégré en ligne. L’opération de rivetage de la planche de roue est réalisée sur une presse automatique, dont le profil d’effort est enregistré pour chaque pièce : la courbe force-déplacement garantit la conformité du refoulement et constitue un élément de traçabilité de l’assemblage.
10. Spécificités techniques
- La planche de roue est solidement rivetée au pignon. Ainsi, le mobile constitue un ensemble parfaitement solidaire.
- Le rapport de denture du mobile d’échappement et de l’ensemble du rouage de finissage est calculé afin d’assurer une rotation complète du mobile de centre en soixante minutes, condition essentielle pour l’entraînement direct de la chaussée et de l’aiguille des minutes et, par démultiplication, de l’aiguille des heures. (cf. calculs l’organe de comptage et de transmission).