Brevet FR2029470A1 — publié le 19701023

La présente invention se rapporte à la technique des paliers et en particulier des paliers en matière céramique dans lesquels une pellicule intrinsèque d'air sert de lubrifiant et les butées axiales sont réalisées par des oy--.ns magnétiques. La présente invention est particulièrement, utile na:-s le traitement des fibres1 filaments fils textiles etc, perce qu'aucun lubrifiant huileux n? est nécessaire. Le fait qu'on uti- lise des matières céramiques légèrement nolGrées et pas dhuile diminue beaucoup le risque. que les fibr-es -c -':oient souillées. En outre, comme la pellicule d'air se forme Intrinsèquement, aucune source extérieure d'air avec une tuyauterie importante n'est nécessaire. En outre, la matière céramique est particulièrement utile à cause de sa dureté et de sa résistance à l'usure. La matière céramique est en outre utile en relation avec les paliers magnétiques et avec les grandes vitesses de déplacement en ce que la matière céramique ntest pas susceptible de former des courants de Foucault. Le dispositif magnétique pour réaliser la butée axiale limite en outre l'usure. Les présents paliers céramiques en alumine de grande pureté présentent ltavantage de la matière céramique avec des avantages supplémentaires obtenus en utilisant un dispositif magnétique pour absorber la poussée. De nombreux paliers antérieurs à air exigent que de l'air soit injecté. Or, on a trouvé que des aubes supplémentaires pour amener de l'air ne sont pas nécessaires dans les paliers suivant l'invention parce que la rotation à elle seule semble répartir uniformément la pellicule d'air En fait, on a trouvé que l'application d'une pression réduite à un palier suivant l'invention dns lequel l'axe est monté soit vertical soit horizontal a pour conséquence une diminution de l'effet lubrifiant. Cependant, à cause de la dureté et du fini de la surface du palier, un tel palier trouvera des utilisations même sous pression réduite. il semble au moins qu a un certain degré une action d'amortissement de "dashpot" s'oppose au déplacement axial de la broche et de l'arbre par rapport à l'enveloppe quand les intervalles entre les colliers du palier de butée sont suffisamment petits. Des surcharges temporaires, qui sont insuffisantes pour entralner un endommagement matériel réel, ne causent aucune détérioration sérieuse des surfaces de paliers. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description qui va suivre faite en regard du dessin annexé et donnant à titre explicatif mais nullement li mitatif deux formes de réalisation conformes à l'invention. Sur ce dessin la. figure 1 montre, avec arrachement parties, un palier en matière céramique suivant l'invention possédant une surface exté rieure ou enveloppe cylindrique et ün arbre én saillie à chaque extrémité. la figure 2 montre un palier en matière céramique suivant l'invention,dont l'invention, dont -la surface extérieure présente un élargissement conique pour résister-au glissement de fibres à cette extrémité. et dont l'extrémité supérieure est obturée pour empêcher l'accès de poussières, de charpie, etc. et dont l'arbre est en saillie à ltextrémité inférieure, la surfacé ayant été en partie arrachée pour montrer des détails intérieurs. On reconnaîtra que d'autres dispositifs peuvent présenter un palier à poussée magnétique et que la forme extérieure et le. dis positif d'obturation sont seulement des exemples d'équivalents auxquels pourra penser le spécialiste. Le palier en matière céramique lubrifié par un gaz représenté sur la figure l-possède un manchon extérieur 10 procurant une sur face de glissement et une broche cylindrique intérieure 12 qui lui est associée de telle sorte que l'intervalle radial entre la sur face de glissement (surface de l'alésage cylindrique intérieure du manchon) et-- la- surface extérieure. de la broche est compris entre 2;5 x lO-4 et 1,3 x lO- 2 mm et de préférence entre 2,5-x 10-3 et 7;6 x lO -3 mm.Par intervalle-radial on entend la distance entre les surfaces quand la broche et l'arbre sont centrés exactement dans -I' alésage-ldu.manchon ; ainsi I? intervalle total, à l'opposé du côté de la broche qui s'appuierait contre un côté de l'alésage, -serait approximativement le-toublë de l'intervalle radial entre la broche et la surface de glissement ou l'alésage.Si on augmente .notablement-l'intervalle radial au-delà de l,3 x 10-2 mm, le ré -sultat- est que des problèmes apparaissent dans l'obtention d'une lubrification convenable du palier par un gaz pendant le fonction nement, (c'est-à-dire qu'il tend à në plus être supporté par l'air), On peut également rencontrer une vibration pendant le fonctionne --ment.--A l'intérieur de la gamme indiquée pour itintervalle radial, - les paliers de l'invention présentent une tendance -à un centrage automatique, apparemment causé par des forces de' cisaillement s'ever- -- sur les gaz entre les surfaces -palier--'pe'ndant la rot" tion. Sur la figure 1, on voit que le manchon 10 en matière céra mique renferme une broche 12 collée à l'arbre 14 ou d'une seule pièce avec lui, la broche ou l'arbre étant la partie mobile sui vant le procédé de montage employé. Fixés aux extrémités de la broche 12 et autour de l'arbre 14 se trouvent deux colliers ou rondelles 20 annulaires magnétiques en ferrite. I1 n'est pas esses tiel d'utiliser des ferrites dans ce but, car d'autres matières aimantables conviendraient, mais les ferrites sont particulière ment utiles dans ce but. Ces colliers en ferrite sont aimantés de manière que les pales soient sur les deux faces.Leur diamètre est de préférence légèrement inférieur à celui de la broche 12 pour éviter des contacts possibles avec le manchon 10. Deux autre colliers ou rondelles 22 en ferrite ou en une autre matière aiman table sont situés, aux'extrémités extérieures de la broche 12 et en face des colliers 20, de façon que les deux à chaque extrémité se repoussent magnétiquement, c'est-à-dire que les pôles identi ques se fassent face. Les colliers 22 sont maintenus en place dans le manchon lP par des bagues de retenue 24 qui sont avantageuse ment des bagues métalliques pénétrant dans des rainures du man chon 10. La faible quantité de métal qui intervient;semble ne cau ser aucune résistance appréciable due à des-courants de Foucault, ainsi que cela pourrait se produire avec des parties métalliques plus massives.Les colliers 22 ont de préférence un diamètre ex térieur très voisin du diamètre inférieur du manchon 10 et présen tent des trous dont le diamètre est légèrement plus grand que l'arbre 14. La figure 1 représente l'arbre 14 s'étendant au-dessus du sommet~du manchon 10 et aussi prolongé en bas. On peut naturel lement faire 'varier à volonté la longueur du prolongement ainsi que les autres dimensions. On peut utiliser l'extrémité longue inférieure pour entraner 1? arbre ou pour supporter l'arbre par un dispositif d'entrainement appliqué au manchon extérieur 10, par exemple I'entranement par frottement d'une roue, une boucle de fibre se déplaçant, ou un autre dispositif. On voit sur la figure 2 que le manchon extérieur 50 a une portion inférieure 31 s'élargissant et un dispositif, représenté sous la forme d'un bouchon fileté 33, obturant 1? extrémité supé rieurs et stopposant à la pénétration de particules étrangères. Le broche 32 est attachée à l'arbre 54 par collage ou un autre -,,disposit,if,c'omme-'-dans la forme d'exécution de la figure 1, et l'ensemble est mis en place dans le manchon 30 par un Palier magnétique de butée également comme dans la forme d'exécution de la figure 1. Les paliers magnétiques de butée représentés sont des colliers ou rondelles 20, 22 en ferrite s'opposant magnétiquement qui coopèrent, les pôlés identiques se faisant face dans chaque paire comme décrit pour la figure 1 et étant retenus par des bagues métalliques 24. La figure représente un bouchon 33 en matière céramique mais, comme il ntest pas sujet à ltusure, il peut tout aussi bien être en métal, matière plastique, caoutchouc, etc.Il présente des trous 35 de sorte qU'on peut le faire tourner pour l'insérer ou l'enlever, mais il est évident qu'on peut avoir recours à une fente ou une autre disposition. Les filets de vis peuvent être à droite ou à gauche suivant ce quoi est le mieux pour la direction dans laquelle des forces peuvent être exercées (rotation relative dans le sens des aiguilles d'une montre ou dans le sens inverse de l'arbre et du manchon), ou, dans le cas d'une matière souple, un ajustement à brusque insertion d'un genre ou d'un autre conviendrait, par exemple un bouchon moulé en nylon. Les surfaces céramiques des corps de paliers suivant l'in- vention lubrifiés par un gaz qui sont sujettes à l'usure, c'està-dire la surface de la broche et la surface interne ou surface de glissement du manchon ou de l'enveloppe, sont finies jusqu'à un poli de surface dont la racine de la moyenne des carrés est inférieure à 0,51 micron quand on le vérifie avec un style de coupe en diamant d'une largeur de 0,75 mm, utilisé avec un rayon de 0,01) mm. Pour le résultat optimum, le fini de la surface n1 est pas de préférence supérieur à 0,25 microns. Les surfaces du palier sont exemptes de crevasses ét d'imperfections superficielles ou de piqûres d'une profondeur supérieur à 0,075 mm. La matière céramique dont au moins le manchon et la broche et de préférence également l'arbre sont composés est de préférence pour au moins 85 ffi en poids de l'alumine alpha sous la forme de cristaux individuels. Plus précisément, ces cristaux représentent au moins 92 % en poids et jusqu'à environ 99,99 % et plus- du poids des corps. Ltalumine- alpha est chimic- ment la même que le saphir ou le rubis et procure par suite une grande dureté et une grande résistance à l'usure. Au moins 98 % des cristaux d'alumine alpha sont situés à l'intérieur de l'intervalle de dimension allant d'environ 0,5 à 40 microns comme dimension maximale. Quelques cristaux peuvent être'beaucoup plus grands, environ 150 microns étant la dimension maximale dans la pratique usuelle.L'intervalle préféré 'de dimension moyenne (les limites de la dimension moyenne) pour ces cristaux sera généralement situé entre 2 et 10 microns, mais des variations à l'extérieur de cet intervalle et à l'intérieur des limites indiquées plus haut donnent des résultats utilisables. Les cristaux d'alumine alpha sont fermement tassés ensemble pour cons tituer une structure dense. On peut éventuellement utiliser d'au autres matières céramiques très dures. On peut éventuellement pren -dre des mesures pour dissiper les charges électriques statiques. Une matrice comprenant une seconde phase peut constituer entre environ 0,01 et 0,05 % en poids et jusqu'à environ 15 % en poids de la matière céramique et constitue alors une phase distincte des cristaux d'alumine alpha qui constituent la majeure partie des - corps. Cette seconde phase, lorsqu'elle est présente jusqu'à envi ron 15 % en poids de la matière céramique, est pour une grande part du verre contenant de la silice, de l'alumine et de la magné- sie, mais on peut éventuellement employer d'autres oxydes métalli ques que ceux qui précèdent, la préférence étant donnée aux matiè res réfractaires. La matrice comprenant une seconde phase d'autres matières inorganiques peut constituer entre environ 0,01 et 0,05 % en poids de la matière céramique.Ces petites quantités d'autres matières inorganiques peuvent être présentes dans la matière céra mique en qualité d'impuretés, soit intentionnellement soit pas inadvertance, si elles ne nuisent pas à la dureté et à la résis tance à l'usure. La densité du palier en matière céramique suivant l'invention doit en général être d'au moins 3,4 g par cl;3, La densité de l'alu mine alpha est donnée dans le "Handbook of Chemistry and Physics" comme étant de 3,97 g par cm3. La présence de matières auxiliaires ayant des densités inférieures, par exemple la silice, la chaux, la magnésie, donne une valeur inférieure trompeuse. Ainsi une matière -céramique à 85 % d'alumine, rendue dense au sens technique, devrait avoir une densité d'au moins 3,4 g par cm3 ; une matière céramique à à 96 % d'alumine une densité d'au moins 3,6 g par cm3 ; et une ma -tièrè céramique à 99,99 % et plus d'alumine une densité d'au moins 3,90.Des vides ou des pores à l'intérieur des corps ne doivent pas dépasser environ 10 % du volume des corps et devraient être limi -tés--aux parties massives et ne pas apparaître aux surfaces de pa palier. La section transversale des pores individuels ne dépasse de préférence pas sensiblement environ 0,075 à environ 0,25 mm. La description ci-après illustre un procédé pour fabriquer des paliers conformément à l'invention. On place environ 95 parties en poids d'alumine alpha du commerce, 3 parties en poids de talc (c'est-à-dire de silicate de magnésie) et 2 parties en poids d'argile (c'es$-à-dire de silicate d'aluminium hydraté) dans un broyeur à boulets doublé d'alumine, dans lequel se trouvent environ 15 parties en poids d'un agent humectant (par exemple du pentaphosphate de sodium), environ 1,25 partie d'un liant organique (par exemple. alcool de polyvinyle) 'ét environ 0,2 partie de défloculent (par exemple sulfate de lignine).On ajoute'environ 55 parties en poids d'eau et 200 à 500 parties en poids de galets d'alumine, et on poursuit le broyage pendant environ 20 heures afin d'effectuer un mélange intime et une réduction dé la dimension des particules jusqu'au-dessous d'environ 5 microns. On sèche la barbotine qui en résulte à une température élevée, par exemple de 100 à 2600C, et de préférence à environ 2000C jusqu'à abaisser sa teneur en humidité autant que possible au moins au dessous de 4 % et de préférence au-dessous de 2 % en poids. la matière ci-dessus séchée par pulvérisation est alors mé- langée a des liants de manière que la teneur totale en liant organique ne dépasse pas environ 10 parties pour 100 parties de la teneur inorganique par mélangeage et pétrissage dans un mélangeur du type Muller pendant environ 30 minutes ou jusqu'à ce que le mélange soit mélangé et plastifié à fond. On peut utiliser n'importe -quel autre procédé classique. Par exemple, on mélange par malaxage environ 100 parties de la matière séchée par pulvérisation avec 1 partie d'une émulsion d'une cire de paraffine (contenant environ des parties égales en poids de paraffine et d'eau), plus soit 15 parties d1une solution à 2,0 % dans l'eau de lignine extraite d'algues narines, soit 17 parties d1une solution à 20 % d alcool He polyvinyle dans le glycol. On ajoute à ce mélange suffisamment d'eau pour donner une teneur totale d'humidité d'environ l7 %.Le mélange est une masse plastiqlle facile à entruder. On Introduit la matière plastique danw cylindre d'une presse à extrusion, on la désaère au moyen d'une pompe à vide et on l'extrude pour lui donner la dimension et la morne des corps ou parties nécessaires. Ou bien encore on peut mouler les parties. C'est ainsi qu'on peut-mouler des parties telles que les manchons 10 et 30 du dessin et extruder ou couper sur des barres extrudées les broches 12 et 32. Avant de chauffer les formes extrudées, on les sèche et les scie et/ou les usine pour leur donner la forme et la dimension désirées, en tenant compte que le chauffage final produira un certain rétrécissement. On peut utiliser quelques chauffages d'essai pour déterminer le rétrécissement du matériau suivant les techniques classiques, bien connues dans la céramique ; et les résultats de ce chauffage d'essai dicteront la dimension et la forme des corps "verts" (c'est-à-dire des corps non cuits) à former, afin d'obtenir à un rythme commercial la dimension et la forme désirée pour les produits chauffés finals. On exécute convenablement le chauffage en portant la température depuis la température ambiante jusqu' à environ 17000C pendant une période d'environ 24 heures. On maintient la température de 17000C entre environ 1 'et 4 heures, période après laquelle on abaisse la température jusqu'à environ 2000C en 16 à 20 heures. On laisse ensuite refroidir jusqu'à la température ambiante. On moule et polit les surfaces de palier de la broche et de la surface de glissement jusqutà la dimension et au fini finals en utilisant des techniques classiques avec des grains de diamant et de la pâte de diamant. On atteint facilement des finis de surface de palier d'environ 0,25 micron (racine carrée moyenne) et moins quand on suit la méthode indiquée ci-dessus pour fabriquer la matière céramique. On monte des colliers (produits par n'importe quel procédé désiré)' en ferrite ou d'autres colliers magnétiques sur la broche comme représenté et on place la broche et l'arbre dans le manchon en utilisant d'autres colliers comme représenté au dessin. On réalise ainsi des paliers de butée magnétiques. La Demanderesse croit que la durete et le caractère lisse des surfaces du palier sont des facteurs importants expliquant leurs résultats. En outre, il apparaît que l'action de cisaillement des gaz entre les surfaces des paliers suivant l'invention pendant la rotation tendent à répartir le gaz sur toutes les surfaces du palier plutôt qu a permettre à la broche de s'appuyer contre le manchon. Comme noté plus haut, la broche devient portée par l'air. Dans ces paliers dans lesquels il y a un palier magnétique de butée, les effets à surmonter afin que la, broche soit portée par l'air semblent être inférieurs du fait que ces paliers sont particulièrement destinés à fonctionner verticalement, par exemple avec un fil passant autour des surfaces extérieures profilées du palier 30 avec une vitesse telle que, l'arbre étant monté rigidement, le manchon tourne à des vitesses allant de quelques centaines à environ 50.000 tours par minute. Les paliers représentés à butée magnétique ont l'avantage d'être également lubrifiés par un gaz. En outre, une plus grande force s'oppose à une plus grande poussée, de sorte que l'application sur les surfaces des rondelles en ferrite exige un effort considérablement plus grand que ne peut l'effectuer une fibre en mouvement. I1 va de soi que la présente invention n' a été décrite et représentée qu'à titre explicatif mais nullement limitatif, et qu'elle est susceptible de diverses variantes sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1 - Palier à rotation axiale assistant à l'usure et sensiblement sans frottement,constitué essentiellement par la combinaison de deux corps fortement tassés en matière céramique dont la oomposition est constituée essentiellement par entre environ 85 et environ 99,99% et plus en poids de cristaux d'alumine alpha ne dépassant pas 150 microns dans aucune dimension, ces corps étant une broche intérieure montée sur un arbre, et un manchon extérieur, palier caractérisé en ce qu'il possède des surfaces portantes présentant un fini dont la moyenne quadratique de la rugosité ne dépasse pas 0,51 micron et un élément magnétique d'appui résistant à la poussée axiale et à un déplacement longitudinal relatif entre les corps. 2 - Palier suivant la revendicatioXt, dans lequel la surface extérieure du manchon est profilée de façon à retenir une fibre ou un fil en mouvement. 3 - Palier suivant la revendication 1, possèdant un moyen pour obturer une des extrémités du palier contre la pénétration de particules étrangères. 4 - Palier suivant la revendication 1, dans lequel l'élément magnétique dappuist essentiellement constitué par deux paires de colliers en ferrite, une pièce de chaque paire étant une pièce interne fixée sur chacune des extrémités de-la broche interne et la pièce corres pondant extérieure étant située dans le manchon- -extérieur, les piles identiques -faisant -face aux pièces sur la broche, un dispositif retenant les-pièces-extérieures dans le manchon extérieur. 5 - Palier destiné à guider une-fibre ou un fil en mouvement, caractérisé en ce qu'il comporte unmanchonextérieur profilé pour em pêcherla chute d'un fil en mouvement et fini intérieurement pour constituer une surface de glissement :- une broche pourvue d'un arbre monté à l'intérieur de la surface de glissement, les surfaces en regard étant usinées à un fini durit la moyenne quadratique des inégalités est infé- rieure à 0,51 micron; des colliers intérieurs magnétiques en ferrite fixés à la broche et des colliers extérieurs magnétiques en ferrite étant diqTosés- dans le manchon extérieur et repoussant les colliers intérieurs suivant l'axe de la broche; des colliers extérieurs de retenue montés dans le manchon; et un dispositif obturant une extrémité du manchon pour empêcher la pénétration de particules étrangères; au moins le manchon et la broche étant pour environ 85% à environ 99,99% constitués par des cristaux d' alumine alpha dont le diamètre ne dépasse pas 150 microns.