Dây tóc đồng hồ cơ – Linh hồn của cỗ máy

Dây tóc đồng hồ cơ được ví như linh hồn của bộ máy. Đây là bộ phận quan trọng, đòi hỏi quy trình sản xuất phức tạp và bài bản. 

Dây tóc đồng hồ cơ là gì?

Dây tóc đồng hồ cơ (Hairspring) là bộ phận có hình lò xo phẳng với đường kính chỉ 1 centimet, được tạo nên bởi một sợi dây kim loại cực mảnh cuộn xoắn ốc. Khi năng lượng truyền từ dây cót tới hồi rồi đến bánh xe cân bằng làm cho nó dao động, dây tóc có tác dụng đàn hồi để giữ cho các dao động của bánh xe được cân bằng với tốc độ không đổi.

Mỗi khi bánh xe cân bằng dao động thì kim đồng hồ sẽ nhích một chút với tốc độ không đổi. Từ đó, thời gian hiển thị được chia đều ra các khoảng. Có thể nói, vai trò của bánh xe cân bằng và dây tóc tương tự như con lắc trong các loại đồng hồ lớn (đồng hồ tháp, đồng hồ treo tường, đồng hồ tủ đứng,…) trong khi kích thước của chúng có thể đeo được trên tay.

Cơ chế phân bổ năng lượng giữa các chi tiết trong bộ máy đồng hồ

Ai phát minh ra dây tóc đồng hồ cơ?

Dây tóc lò xo cơ học xuất hiện từ thế kỷ 17, rất lâu trước khi bất kỳ tên tuổi nổi tiếng nào trong ngành chế tạo đồng hồ từng hoạt động. Điều này là vì vào thời điểm đó, việc chế tạo đồng hồ chưa dùng đến bộ dao động được cài đặt tần số, hay nhiều điều vĩ đại khác.

Đối với đồng hồ, nhà toán học, thiên văn học và vật lý học người Hà Lan Christiaan Huygens đã đưa ra ý tưởng sử dụng trọng lượng xoay tự do, hay còn gọi là con lắc, để điều chỉnh các chức năng đo thời gian vào năm 1656. Cơ chế này tận dụng tính chất dao động điều hòa tự nhiên của con lắc. 

Ông nhận ra rằng, khi đồng hồ đứng yên, dao động của con lắc sẽ hoàn toàn đều đặn. Nhưng điều đó là không thể khi đeo đồng hồ trên cổ tay. Vì vậy, Huygens đã đưa ra một giải pháp khác – một lò xo cuộn phẳng, rất mỏng, được gọi là lò xo dây tóc hoặc lò xo cân bằng. Thời điểm ra đời này được ghi nhận là vào năm 1667, và có tác dụng mạnh mẽ trong việc giảm tỷ lệ sai số hàng ngày của đồng hồ từ nửa giờ trở lên xuống còn khoảng năm phút.

Ngoài Christiaan Huygens, Galileo Galilei cũng đưa ra khái niệm tương tự nhưng ông không bao giờ thực hiện. Nhà vật lý người Anh Robert Hooke cũng tuyên bố đã phát minh ra bánh lò xo cân bằng trước cả Huygens. Tuy nhiên, lại có nhiều bằng chứng cho thấy Huygens đã sử dụng một cánh tay đòn đôi (thanh ngang nặng hai đầu) và bánh xe cân bằng kết hợp với dây tóc để tạo ra bộ thoát.

Nhà toán học, thiên văn học và vật lý học người Hà Lan Christiaan Huygens được cho là người phát minh ra dây tóc đồng hồ cơ

Bốn nhà sản xuất dây tóc nổi tiếng

Nhà sản xuất dây tóc đồng hồ cơ Nivarox

Thời điểm khủng hoảng thạch anh những năm 1970, Nivarox trở thành nhà cung cấp dây tóc đồng hồ cơ và các loại linh kiện liên quan (bộ thoát (escapement) / bộ điều chỉnh (regulator)) không thể thiếu cho ngành công nghiệp đồng hồ Thụy Sĩ. 

Nó sáp nhập với FAR và các công ty khác vào năm 1977 để trở thành Nivarox-FAR và sau đó được tổ chức lại thành một tập đoàn đồng hồ mới cùng công ty mẹ ASUAG với tên gọi Swatch Group.

Hiện nay, Nivarox vẫn là nhà cung cấp chính vì không có công ty nào khác có thể cung cấp dây tóc đồng hồ cơ với chất lượng tương đương trong một mức giá cạnh tranh và có cùng năng lực sản xuất. Bên cạnh đó, Nivarox cũng có thị phần lớn với dây tóc silicon vì chúng tìm được đường đi vào rất nhiều đồng hồ Omega cũng như các thương hiệu khác thuộc tập đoàn Swatch.

Nivarox vẫn là nhà cung cấp chính vì không có công ty nào khác có thể cung cấp dây tóc đồng hồ cơ với chất lượng tương đương trong một mức giá cạnh tranh

Nhà sản xuất dây tóc đồng hồ cơ Atokalpa

Atokalpa là công ty con của tập đoàn chế tạo đồng hồ thuộc sở hữu của tổ chức Sandoz Family (cùng với Parmigiani Fleurier và Vaucher). Atokalpa là một trong những nhà sản xuất đầu tiên khởi xướng kế hoạch sản xuất dây tóc đồng hồ cơ vào đầu những năm 2000. 

Ngày nay, nhà sản xuất này đã cho ra hơn 200.000 loại mỗi năm cho Vaucher và các bên thứ ba như Tag Heuer. Hiện tại, đây là một trong những lựa chọn thay thế quan trọng nhất đối với Nivarox, xét về tính chất công nghiệp và chuyên môn / tính linh hoạt để phát triển và sản xuất các sản phẩm phức tạp với số lượng ít.

Atokalpa là một trong những nhà sản xuất đầu tiên khởi xướng kế hoạch sản xuất dây tóc đồng hồ cơ vào đầu những năm 2000

Nhà sản xuất dây tóc đồng hồ cơ Concepto

Concepto là nhà sản xuất dây tóc và bộ máy có trụ sở tại La Chaux-de-Fonds. Dây tóc sản xuất tại đây được trang bị trong các bộ máy riêng, mặc dù họ vẫn sử dụng Nivarox. Họ cũng cung cấp cho các thương hiệu bên thứ ba. Theo CEO Valérien Jaquet, năng suất sản xuất của nhà cung cấp này trung bình khoảng 100.000 chiếc mỗi năm.

Năng suất sản xuất của Concepto cung cấp trung bình khoảng 100.000 chiếc mỗi năm

Nhà sản xuất dây tóc đồng hồ cơ Precision Engineering AG

Precision Engineering AG là công ty con độc lập của H. Moser & Cie, một phần của Tập đoàn Meylan. Đây là nhà sản xuất dây tóc đồng hồ cơ quan trọng thứ ba cho các bên thứ ba. Nhà sản xuất dây tóc này đưa ra 55.000 loại mỗi năm. Precision Engineering AG được thành lập vào năm 2001 như là một nhánh của Straumann SA (chuyên môn của công ty đã có từ năm 1930 với công nghệ sau đó được Reinhard Straumann cấp bằng sáng chế). 

Năm 2016, Precision Engineering AG đã giới thiệu một hợp kim mới mang tên PE500. Hợp kim này bao gồm niobium và titanium có ái lực lớn với oxy. Nó được trình bày dưới dạng thuận từ (kháng từ) và chống sốc với ưu điểm là cho phép điều chỉnh.

Nhà sản xuất dây tóc đồng hồ cơ Precision Engineering AG là công ty con độc lập của H. Moser & Cie

Nhà sản xuất dây tóc cơ khác

Tập đoàn Festina gồm một số thương hiệu đồng hồ và trang sức còn hoạt động công nghiệp, đặc biệt là nhà sản xuất máy Soprod. Ngoài ra, tập đoàn do Miguel Rodriguez lãnh đạo đã tiếp quản Technotime cũng sản xuất dây tóc đồng hồ, trước khi công ty phá sản.

Bovet sản xuất các loại dây tóc đồng hồ mặc dù theo hiểu biết của chúng tôi thì hãng này chỉ sản xuất cho nhu cầu riêng của mình.

E2O Innovations là công ty chị em của Schwarz Etienne sản xuất dây tóc đồng hồ độc quyền cho các bộ máy của thương hiệu này và hiện cũng đang làm việc cho các bên thứ ba.

Rolex là một trong những nhà sản xuất đầu tiên phát triển khả năng sản xuất nội bộ đầy đủ cho dây tóc đồng hồ. Sau hơn 5 năm nghiên cứu và phát triển, dây tóc Blue Parachrom được đưa vào sản xuất vào đầu những năm 2000. Parachrom là hợp kim của niobium và zirconium với lớp phủ oxit. Cái tên này là sự kết hợp của “paramagnetic” và “chrome” (tiếng Hy Lạp có nghĩa là màu sắc). Một trong những ưu điểm chính của kiểu tóc Parachrom là tính chất kháng từ tính cộng với khả năng chịu sốc tốt hơn so với tóc làm từ hợp kim sắt từ.

Sau này, tập đoàn Richemont cũng mới đủ khả năng sản xuất dây tóc đồng hồ. Giống như Rolex, đó là vấn đề giành được độc lập trong ngành chế tạo đồng hồ. Việc sản xuất được bắt đầu ở Đức với A. Lange & Söhne và Thụy Sĩ với Jaeger-LeCoultre. Sự tích hợp của Roger Dubuis cung cấp một nguồn khác. Montblanc-Minerva cũng sản xuất dây tóc đồng hồ ở quy mô nhỏ, chủ yếu cho tourbillons và dây tóc đồng hồ hình trụ. Ngày nay, Valfleurier, một trung tâm công nghiệp có cổ phẩn của Richemont, là nhà sản xuất chính cho nhóm. Không phải tất cả các bộ máy của Richemont đều được trang bị dây tóc đồng hồ độc quyền nhưng chuyên môn và năng lực dường như đủ để đảm bảo sự tự chủ.

Rolex là một trong những nhà sản xuất đầu tiên phát triển khả năng sản xuất nội bộ đầy đủ cho dây tóc đồng hồ cơ

Quy trình sản xuất dây tóc đồng hồ cơ

Dây tóc thông thường sẽ được làm bằng hợp kim sắt-niken như Nivarox, độ đàn hồi gần như không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ. Nivarox là viết tắt của Nicht Variabel Oxydfest tức Non-Variable Non-Oxidizing (Không biến đổi, không bị oxy hóa). Hợp kim này cùng loại với Invar, một hợp kim (FeNi 36%) được phát minh bởi người đoạt giải Nobel Thụy Sĩ Charles Edouard Guillaume.

Kết hợp độ chính xác của công nghệ cao và sự khéo léo chế tác thủ công, dây tóc được sản xuất thông qua các kỹ thuật cán kim loại cực kỳ chính xác để tạo ra một lưỡi thép mỏng, dễ uốn. Các quá trình sau đó phải mất vài ngày để biến dải dây kim loại thành lò xo xoắn ốc phẳng và mỏng. Dung sai thường dưới 0,1 micron (100 nanomet), vì sự sai lệch nhỏ nhất của thông số lò xo vẫn có ảnh hưởng đến khả năng hoạt động chính xác của đồng hồ. Công nghệ này được biết đến như bí mật thương mại vì độ chính xác sẽ tạo nên khác biệt giữa các công ty cạnh tranh với nhau.

Ngay sau đây, chúng ta sẽ tìm hiểu sâu về việc làm thế nào để tạo ra dây tóc đồng hồ cơ tại công ty E2O Innovations ở La Chaux-de-Fonds, Thụy Sĩ.

Dây tóc sẽ được làm bằng hợp kim sắt-niken như Nivarox, độ đàn hồi gần như không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ

Kéo sợi (Trefilage / Drawing)

Mọi thứ bắt đầu với một dây hợp kim FeN có đường kính 0,6mm, dây được kéo chính xác từ 60 micron đến 70 micron (0,06mm đến 0,07mm) tùy thuộc vào số sợi tóc mong muốn. Sau đó, dây được cho đi qua các khuôn kéo sợi kim cương (diamond die – một loại khuôn kéo sợi làm từ kim cương để kéo các loại sợi mảnh hoặc cứng) liên tiếp (lên đến 20 lần) để kéo nhỏ. 

Cứ mỗi lần như vậy, dây tóc sẽ giảm dần đường kính cho đến khi đạt được con số chiều rộng cuối cùng theo tiêu chuẩn. Phải mất khoảng 2 tuần để kéo nhỏ hơn 1km dây, cứ mỗi lần nó đi qua khuôn kim cương, dây sẽ trở nên dài hơn trước đó. 

Được biết, cứ mỗi 0.3 micron sai biệt với tiêu chuẩn của đường kính dây tóc sau khi kéo nhỏ thì có thể sẽ dẫn đến khả năng sai số lên đến 300 giây một ngày cho bộ máy đồng hồ cơ.

Sợi dây bên trên là sợi khi E2O nhập về, còn bên dưới là dây đã qua 1 lần kéo. Ở giữa là 1 trong những khuôn kim cương dùng để kéo giảm đường kính dây

Một vài khuôn kim cương khác nhau sử dụng trong quá trình kéo dây tóc

Cuộn dẹt (Laminage / Rolling)

Ở giai đoạn trước, sợi dây tóc thô vẫn còn tròn. Vì thế, nó cần phải được cán dẹp thành một dải ruy băng hình chữ nhật. Để làm được điều đó, dây tóc thô sẽ đi qua các con lăn chính xác và kết quả cán mỏng được đo bằng laser và máy sẽ tự động sửa nếu phát hiện bất kỳ sự chênh lệch nào. Đây là một trong những bước tinh tế nhất của quy trình sản xuất. Độ chính xác là rất quan trọng ở bước này. Mỗi khác biệt 0,1 micron sẽ dẫn đến sự thay đổi tốc độ 200/300 giây mỗi ngày cho bộ máy.

Dây tóc được dẫn vào những thanh cuộn để cán dẹt

Dây tóc đã cuộn mỏng được đo laser để kiểm soát kích thước một cách chính xác

Cắt ngắn (Coupe / Cutting)

Sau bước cán mỏng, dây tóc sẽ được cắt thành các phần đều nhau, dài hơn một chút so với độ dài mong muốn của sợi tóc cuối cùng để tiện cho những điều chỉnh về sau. Đây có lẽ là bước đơn giản nhất trong quá trình sản xuất dây tóc đồng hồ cơ.

Cuộn dây (Estrapadage / Coiling)

Dây tóc đã cắt ngắn được đem đi cuốn thành cái lò xo phẳng (thường là 4 lần) trước khi được xử lý nhiệt để đảm bảo chúng sẽ giữ được hình dạng và tăng cường tính chất cơ học.

Sau đó, chúng được tách ra trong một hộp rung. Một quy trình cực kỳ đơn giản so với cách tất cả các hoạt động khác được thực hiện. Tuy nhiên, đây vẫn là phương pháp hiệu quả nhất. Kích cỡ bên trong được điều chỉnh bằng cách sử dụng một công cụ cắt (cắt phía trong) theo đặc điểm kỹ thuật của từng sợi tóc, chỉ cần một vài cuộn dây từ trung tâm để cho phép điều chỉnh vành.

Lò được sử dụng để xử lý nhiệt cho dây tóc sau khi được cuộn

Ghép cặp (Classage / Pairing)

Dây tóc và bánh xe cân bằng được kiểm tra và phân loại dựa trên hiệu suất của chúng (quán tính cho bánh xe cân bằng,  độ bền cho dây tóc) nhằm giúp chúng có thể được ghép đầy đủ. Hiện hãng đồng hồ Schwarz Etienne sử dụng ít hơn 20 loại khác nhau để ghép cân bằng và lò xo. Nếu cần, quán tính cân bằng có thể được điều chỉnh và thăng bằng hoàn hảo nhờ các công cụ định hướng bằng laser.

Gắn vào vành (Virolage / Pinning up the collet)

Phương pháp hàn Laser được sử dụng để ghép dây tóc vào ống kẹp của bánh xe cân bằng. Trong bước này, chiều dài của dây tóc cũng được kiểm tra và cắt bớt nếu cần thiết (cắt vòng cuốn lò xo bên ngoài).

Phương pháp hàn Laser được sử dụng để ghép dây tóc vào ống kẹp của bánh xe cân bằng

Cân bằng (Equilibrage/Poising)

Bước này sẽ kiểm tra cách mà bánh xe cân bằng (cùng với lò xo của nó) quay và cân bằng.

Định hình độ cong đầu cuối

Đường cong đầu cuối (đầu dây bên ngoài) cho phép lò xo mở rộng và co lại đồng tâm. Do khó khăn trong việc định hình một đường cong nhỏ như vậy một cách chính xác nên bước này là một thao tác rất tinh tế. Nó được thực hiện thủ công trên một sợi tóc phẳng. Một công cụ cụ thể được sử dụng để nhấn mũi của sợi tóc và định hình đường cong đầu cuối của nó theo một hình thức được hiệu chỉnh cho mỗi loại.

Định hình đường cong đầu cuối

Một dây tóc với phần đầu có hình dáng cong

Tương lai của dây tóc đồng hồ cơ

Silicon

Silicon đã mang tới cuộc cách mạng hóa việc chế tạo đồng hồ truyền thống. Chất liệu này thể hiện các đặc tính đặc biệt để sản xuất dây tóc đồng hồ cơ: cứng, nhẹ, bền, chống từ, ổn định nhiệt và có đặc tính đàn hồi tuyệt vời. Tuy nhiên, công nghệ này chỉ giới hạn dành cho một số công ty nhất định (không tính với các thành phần khác trong đồng hồ).

Những dây tóc silicon đầu tiên được Ulysse Nardin giới thiệu nhờ Sigatec, một liên doanh với Mimotec, chuyên về các thành phần silicon vi mô. Thương hiệu đã phát triển chuyên môn độc đáo trong lĩnh vực này.

Dây tóc đồng hồ silicon đã tạo một liên minh thú vị và chiến lược hợp nhất ba nhà máy quyền lực: Swatch, Rolex và Patek Philippe tham gia nghiên cứu thông qua CSEM (Center Suisse d’Electronique et de Microtechnique). Họ được cấp bằng sáng chế cho công nghệ này và đây là lý do tranh chấp với Sigatec. Một thỏa thuận giữa tất cả các bên đã được đưa ra. Mặc dù các điều khoản của nó không được tiết lộ vào năm 2013.

Một dây tóc đồng hồ silicon Breguet xuất phát từ dự án nghiên cứu chung này và nó được sử dụng trong các thương hiệu của Swatch Group (Breguet, Omega, v.v.). Bộ phận nghiên cứu tiên tiến của Patek Philippe đã tiết lộ dây tóc Spiromax © vào năm 2006. Trong khi đó, Rolex cũng giới thiệu dây tóc Syloxi © trên đồng hồ của họ vào năm 2014.

Dây tóc Omega Si14 tiêu chuẩn được thương hiệu giới thiệu vào năm 2008

Tuy nhiên, bằng sáng chế CSEM đã hết hạn vào năm 2021. Từ đó, công nghệ này trở nên khả dụng cho các nhà sản xuất khác. Đương nhiên, một số công ty như Atokalpa cũng có những nghiên cứu và xây dựng chuyên môn trong lĩnh vực sản xuất sợi tóc silicon. Các vật liệu công nghệ cao khác đã được sử dụng để sản xuất dây tóc đồng hồ cơ. Mặc dù việc sản xuất vẫn còn hạn chế cho đến ngày nay. Ví dụ như 2 mẫu đồng hồ concept Cartier ID-One và ID-Two được trang bị dây tóc đồng hồ được làm từ Zerodur, một hỗn hợp gốm thủy tinh công nghệ cao.

Tại Baselworld 2017, Zenith đã tiết lộ mẫu đồng hồ Defy 21 với dây tóc làm từ hỗn hợp carbon được tăng cường ống nano carbon đã được cấp bằng sáng chế bởi LVMH, công ty mẹ của Zenith. Tại LVMH, dưới sự bảo trợ của Jean-Claude Biver, con đường để làm chủ thành phần đồng hồ này là sự đổi mới. Tập đoàn này nói rằng họ đang đầu tư đáng kể để phát triển sản xuất và các cơ sở sản xuất đang thành lập dưới sự chỉ đạo của LVMH Suisse Manufacture

Bộ tạo dao động độc đáo

Vượt trên dây tóc đồng hồ và bánh xe cân bằng truyền thống, những bộ tạo dao động không theo quy tắc truyền thống đã được giới thiệu bởi các nhà sản xuất đồng hồ. Cùng với sự phát triển của các bộ thoát mới và tiềm năng được cung cấp bởi công nghệ silicon, trong những năm gần đây, các bộ dao động này đã đạt được tần số cao hơn để tăng cường độ chính xác hoặc giảm mức tiêu thụ năng lượng của bộ máy. 

Bộ thoát Genequand và bộ tạo dao động độc đáo của nó (phần màu vàng)

Trong số này, những cải tiến mới nhất để thay thế lò xo xoắn ốc truyền thống bao gồm hệ thống lưỡi kích (excitatory blade system) TAG Heuer với bộ dao động tuyến tính phù hợp với Mikrogirder, bộ cộng hưởng âm (acoustic resonators) cho De Bethune và bộ cân bằng đổi mới với các lưỡi linh hoạt (flexible blades) của bộ thoát Parmigiani-Genequand.