Автор каналу Chronova Engineering разом зі своїм колегою Аластером взялися за один із найскладніших вузлів у всій годинниковій справі — спусковий механізм (escapement), який часто називають серцем будь-якого механічного годинника. Саме цей вузол генерує періодичні імпульси, завдяки яким прилад здатний рахувати час. Принцип, до речі, універсальний для будь-якого хронометра: атомний годинник рахує коливання атома цезію, кварцовий — імпульси електронного осцилятора, а механічний покладається на маятниковий баланс (balance wheel).
Щоб глядачам було зручніше стежити за роботою крихітних деталей, автори свідомо збільшили масштаб механізму приблизно в 2–3 рази порівняно з реальними розмірами наручного годинника. Втім, навіть за такого масштабування деякі елементи залишаються справді мініатюрними.
Місток та підшипники — фундамент всієї конструкціїРобота почалася з виготовлення містка (bridge), що утримує головний підшипник та підтримує баланс. Деталь вирізали з латунної пластини лобзиком, після чого доводили форму напилком — класична годинникарська техніка, яка активно застосовується протягом усього проєкту поряд із сучасними верстатними методами.
Для підтримки балансового вала використали кулькові підшипники з отвором 1 мм і зовнішнім діаметром 3 мм. У справжньому механічному годиннику замість кулькових підшипників зазвичай ставлять рубінові камені — саме вони забезпечують низьке тертя та стійкість до зносу на такому мініатюрному масштабі, чого просто неможливо досягти звичайними кульковими підшипниками. До речі, кількість каменів у механізмі часто вказують безпосередньо на циферблаті годинника — це своєрідний знак якості.
Автор пресує підшипник у місток, попередньо розвернувши отвір ручною розверткою. Оскільки кінець розвертки має мінімальний конус, глибину розвертання можна точно контролювати — а фінальну посадку перевіряють штифтовими калібрами.
Колонки з точністю до кількох мікронівМісток спирається на колонки, що фіксуються в спеціальних отворах на кожному кінці. Ці колонки виточили із срібної сталі — з одного боку зовнішня різьба, з іншого внутрішня різьба та виступ для точного позиціонування містка. Точність розташування тут критична: саме вона мінімізує тертя в підшипниках і забезпечує коректну взаємодію компонентів,
закріплених на балансовому валу.
При нарізанні дрібної різьби автор спробував замінити звичну мастильну рідину на пасту — але результат виявився не найкращим за якістю поверхні, тож у майбутньому вирішено повернутися до перевіреної рідини.
- Довжину кожної колонки виточено з точністю до приблизно 5 мікронів від номінального розміру — це забезпечує правильне осьове вирівнювання підшипників
- Кінці колонок просвердлено та нарізано під гвинти кріплення містка
- На відміну від класичних годинників, де колонки часто витончують посередині для зменшення інерції (особливо актуально для турбійонів), тут форму залишили простим циліндром
Щоб уникнути пошкодження полірованої поверхні колонок, гвинти закручували спеціальними латунними щипцями, які не залишають подряпин на металі.
Балансове колесо — обличчя механізмуДалі роботу продовжив Аластер у своїй майстерні, взявшись за балансове колесо — компонент, що виконує роль осцилятора годинника. Ця деталь важлива не лише функціонально, а й естетично: саме на балансове колесо найперше падає погляд при розгляді годинникового механізму.
Форми балансових коліс бувають дуже різними — частина відмінностей суто художня, але багато конструктивних рішень мають практичне призначення, наприклад, температурну компенсацію. У цьому проєкті обрали конструкцію з утопленими гвинтами по ободу, що дозволяє легко балансувати колесо, регулюючи ці гвинти. Температурної компенсації тут немає — модель створена для демонстрації принципу роботи, а не для точного відліку часу.
Спочатку диск обточили на токарному верстаті начорно, потім відрізали й закріпили для розмітки спиць. Спиці вирізали й довели напилком до потрібної форми вручну.
Для точного напилювання використали спеціальні алюмінієві губки лещат,
які можна легко відновити на фрезерному верстаті після зношування, а паралельність затиску забезпечили за допомогою прокладки такої ж товщини, як саме балансове колесо.
Ручна робота як окрема філософіяАвтор чесно зізнається — попри те, що є прихильником сучасних технологій на кшталт ЧПУ-верстатів та 3D-друку, і регулярно ними користується, саме ручна робота лобзиком і напилком, хоч і затратна за часом, приносить величезне задоволення.
За словами автора, тим, хто хоче спробувати себе в металообробці, але поки не готовий одразу братися за верстати, невеликого набору ручних пилок та напилків цілком достатньо, щоб зайти доволі далеко.
Гвинти для балансового колеса — марки M1, але з подовженою голівкою для додаткової маси — виточили на спеціальному годинникарському токарному верстаті через їхній мініатюрний розмір. Ці гвинти виконують подвійну функцію: по-перше, вони регулюють «поіз» (poise) — рівномірний розподіл ваги по колесу, а по-друге, дозволяють тонко коригувати інерцію колеса, а отже, й точність ходу. Викручені назовні гвинти сповільнюють баланс, а вкручені всередину — прискорюють.
Балансовий вал та кріплення методом стейкінгуУ справжньому годиннику балансовий вал вважається однією з найскладніших деталей — цапфи там зазвичай обробляють до діаметра близько 0,1 мм із максимальною концентричністю, доводячи фінальну обробку між центрами. Однак у демонстраційній моделі з кульковими підшипниками ця деталь виявилась значно простішою у виготовленні.
Оскільки безпосередньо прикріпити балансове колесо до вала на цьому етапі неможливо, довелося виточити латунне кільце-перехідник. У великому машинобудуванні для подібних з’єднань застосовують посадку з натягом, стопорні гвинти, зварювання, паяння чи навіть клей — але у годинникарстві традиційно використовують процес стейкінгу коли пуансон деформує метал, точно «клепаючи» деталі одна до одної.
Спускове колесо з унікальним профілем зубівАластер тим часом розпочав роботу над спусковим колесом (escape wheel) — деталлю, зуби якої мають настільки унікальний профіль, що стандартною фрезою його не виготовиш. Довелося виготовити спеціальну фрезу власноруч на шліфувальному верстаті.
Зуби спускового колеса взаємодіють одразу з двома компонентами механізму:
замикаючим каменем (locking stone), що утримує колесо нерухомим протягом більшої частини коливання балансу, та імпульсною поверхнею на балансовому валу — саме через неї передається енергетичний поштовх, що підтримує коливання балансового колеса.
- Виготовлено арбор — вісь, на якій монтується заготовка колеса, затиснута між торцем арбора та шайбою
- Груба заготовка колеса вирізана з латунного листа, форма на цьому етапі може бути доволі приблизною
- Заготовку обточено до кола на токарному верстаті, після чого вирізано та обпиляно спиці
- Зуби нарізано за допомогою власноруч виготовленого флайкаттера, з поділом заготовки за градуйованою шкалою ділильної головки
Детент — найскладніший і найкрихкіший компонент усього механізмуУ другій частині проєкту команда взялася за виготовлення хронометрового спуску (chronometer/detent escapement) — конструкції, винайденої ще у XVIII столітті та відомої винятковою точністю ходу.
Основа цього типу спуску — так званий детент, довга тонка деталь з вбудованим замикаючим каменем, яка утримує спускове колесо нерухомим під час допоміжної дуги коливання балансу.
Саме через крихкість цієї деталі хронометровий спуск зрештою поступився місцем важільному (lever escapement), який сьогодні стоїть у переважній більшості механічних годинників. Втім, годинники з хронометровим спуском усе ще можна придбати — щоправда, задоволення це не з дешевих.
Детент виготовляли переважно вручну напилком, приділяючи особливу увагу пружині — тонкому елементу, який після загартування набуває «скляної» твердості й крихкості. Перед відпуском довелося ретельно зачистити поверхню, щоб точно відстежити зміну кольору металу під час нагрівання — фінальний колір довели до синього відтінку. Далі пружину напилювали до товщини тоншої за аркуш паперу, тримаючи деталь на корковій підкладці з бджолиним воском для надійного зчеплення під час крихкої фінальної обробки.
Складання механізму та несподіваний результат тестуванняОстаточне складання включало монтаж поненса (potence) для спускового колеса,
регульованого упору для контролю позиції детента, самого детента з оновленою пружиною та замикаючим каменем, виточеним зі срібної сталі, а також балансового вузла в зборі. Замість пружинного приводу, типового для наручних годинників, автори обрали привід вагою — рішення, простіше у виготовленні та характерніше для настінних годинників, зате більш точне, оскільки сила ваги, на відміну від пружини, залишається постійною протягом усього ходу.
Наостанок команда провела цікавий експеримент — виміряла падіння ваги на кожен «тік» механізму, і за цими даними розрахувала споживання енергії спуском: приблизно 150 мікроват Для порівняння: годинник, який Аластер паралельно розробляє окремо, потребує всього 11 мікроват — тобто на порядок менше.
Автор відверто зізнається, що не має остаточної відповіді, чому виникла така суттєва різниця, припускаючи, що основна причина криється саме у волосяній пружині (hairspring) — компоненті, дизайну та матеріалам якого в сучасному годинникарстві приділяють колосальну увагу. За словами автора, ця тема цілком заслуговує окремого відео в майбутньому.
Запис Серце годинника власноруч: інженер відтворив хронометровий спуск у збільшеному масштабі спершу з'явиться на ProstoMob.
