Brevet FR2432364A1 — publié le 19800229

L'invention concerne une meule abrasive constituée par des grains abrasifs, un agglomérant à base de résines synthétiques et de préférence de résines thermodurcissables, et de préférence une matière de remplissage constituée par des fibres de renfort à haute résistance encastrées dans le corps de la meule. Lors dun meulage et en particulier d'un tronçonnage, il est nécessaire d'atteindre des vitesses périphériques de la meule aussi élevées que possible. Par tronçonnage, on comprend la découpe de matériaux de préférence en barres avec des meules d'épaisseur relativement faible, cette épaisseur T étant en général inférieure à 0,01 % du diamètre, soit D : T Dans les utilisations techniques, on rencontre parfois des vitesses périphériques maximales de 100 m/sec., mais au cours d'essais ou d'études de laboratoires on a déjà atteint des vitesses périphériques de 130 m/sec. ou plus. Dans ce cas, il faut tenir compte en particulier des mesures de sécurité renforcées qui sont prévues pour un meulage à grande vitesse. C'est ainsi que pour une vitesse de travail de la meule de 100 m/s, il est exigé une vitesse d'éclatement d'au moins 150 m/s. l'élévation de la vitesse de 1,5 fois conduit, selon les lois de la mécanique, à augmenter de 2,25 fois les tensions maximales se manffestant dans la meule. Ceci vient de ce que la tension tangentielle au niveau de l'alésage d'une meule en rotation n'aug- mente pas linéairement, mais au carré de la vitesse périphérique v, soit selon la formule gang, max = prop. v2 les avantages des meules à grande vitesse sont cependant si grands que ce procédé s'utilise de plus en plus dans la pratique. Les avantages principaux sont les suivants : les réactions de coupe des grains diminuent à mesure que la vitesse augmente, et le facteur de puissance ainsi que la puissance de coupe spécifique (volume de copeaux dans le temps) et la capacité de maintien des bords ou du profil s'accroissent de façon plus que proportionnelle. En ce qui concerne le facteur de puissance, il est constitué ici par le rapport entre la surface en coupe transversale découpée et la surface de la meule utilisée. La puissance de coupe spécifique désigne le volume de la pièce d'oeuvre qui est découpé par unité de temps par millimètre de largeur de meule. On s'est efforcé en outre de réaliser des meules de tron çonnage d'épaisseur 2 aussi faible que possible. Ceci présente non seulement l'avantage de nécessiter une puissance d'entrainement plus faible de la machine à tronçonner mais en autre que la perte de matière décrort (perte moyenne = volume découpé par chaque opération de coupe). Ceci est particulièrement intéressant pour les matériaux chers tels que les aciers fortement alliés, le titane, le wolfram et analogues. Par ailleurs, l'échauffement de la pièce d'oeuvre est réduit, ce qui est avantageux d'une part lorsqu'il s'agit de matériaux sensibles à la chaleur ou aux fissurations, et d'autre part pour ce qui concerne la protection de l'environnement (diminution de la teneur en matières de remplissage à capacité de meulage dans la meule). Une autre exigence imposée aux meules à tronçonner est celle consistant dans le fait que le diamètre D de la meule, et de ce fait la surface de coupe utilisable soit aussi grand que possible. Une meule de ce type offre la possibilité de tronçonner des pièces importantes ou pendant plus longtemps (diminution des coûts de changement des meules). Âctuellement, on peut fabriquer des meules à tronçonner en grandes séries avec un diamètre de 1200 mm et en laboratoires avec un diamètre de 1800 mm. Mais on sait que la rigidité des c8tés d'une meule est d'au- tant plus réduite que l'épaisseur est faible et que le diamètre est grand, ce qui signifie que dans les meules à tronçonner il y a tendance à flottement et à gauchissement variant en fonction du rapport d sur 2. Ceci peut conduire à des surfaces de coupe rugueuses, à des découpes non rectangulaires et à la destruction de la meule. C'est pourquoi on désire une rigidité statique élevée ainsi qu'une stabilité dynamique importante, en particulier pour des vitesses de travail élevées. Il ressort des lois de la mécanique qu'une rigidité élevée est liée à une fréquence de résonance élevée. rour des plateaux circu laires, on a la formule suivante où E représente le module d'élasticité, l'épaisseur et v le nombre de Poisson de la meule. et v et v constituent des grandeurs prédéterminées prati- quement fixes, et une augmentation de la stabilité n'est possible que par une augmentation du module d'élasticité (en abrégé : module E). Mais ce module E, de même que la rigidité mécanique, est prédéterminé en pratique dans les combinaisons usuelles de grains abrasifs et de résine car le choix (type de grains, grandeur des grains, proportion de résine, etc.) doit être effectué en premier lieu du point de vue de la te-chnique du meulage. Pour supporter les forces centrifuges et tangentielles créées par les vitesses périphériques élevées mentionnées, et pour augmenter le module d'élasticité et de ce fait la rigidité et la stabilité des meules, il est usuel de prévoir un renfort en fibres dans le corps des meules à usages techniques actuelles. Avant tout et en fonction de ltétat actuel de la technique, on utilise des fibres de verre, car ordinairement les fibres organiques présentent en général une résistance thermique trop faible. Ce qui précède s'applique aussi bien au meulage qu'au durcissement qui a lieu dans les liaisons organiques pour corps de meules (résines phénoliques, époxy, etc.) à des températures comprises entre 150 et2900C. la mise en oeuvre des fibres de verre s'effectue sous forme a) de fibres courtes dispersées statistiquement dans l'agglo mérant b) de mats de fibres c) de tissus. les mats et les tissus sont pourvus d'imprégnations en résine constituées en général par une résine phénolique qui permet un transfert parfait des forces de la masse de la meule à son renfort, les fibres individuelles étant de ce fait chargées à égalité ("portance"). Au cours de ce développement technique, il y a eu de nombreuses recherches pour augmenter l'efficacité du tissu de fibres de verre et certains de des travaux sont déjà décrits dans des brevets, tels que des tissus en fils de roving (fibres individuelles sans torsion ou à torsion faible dans les fils formant le tissu), des types de tissus spéciaux tels que des tissus tridirectionnels, des disques de tissus dont la direction des fils est de préférence radiale et avec amélioration de la résistance par des traitements de surface spéciaux de la fibre de verre (comme par exemple avec du Silane). Mais dans la pratique, il s'avère que les progrès mentionnés qui oftpu etre obtenus par les renforts en étoffes de fibres sont limités dans une grande mesure par la détérioration des fils lors de la fabrication du corps des meules. tes parties vives des grains abrasifs coupent les fibres ou provoquent la formation d'entailles sur la surface externe des fibres lors du pressage.Ces effets se font d'autant plus sentir que les grains abrasifs (tels que des grains de carbure de silicium, de coridon noble) sont plus friables et ont des arêtes plus vives que la structure de la meule est plus épaisse, car une pression élevée est nécessaire pour fabriquer ces meules. a test ainsi que des tissus de verre à nouveau retirés de meules non durcies présentent une diminution de résistance comprise entre 5 et 90 %. Cette destruction des fibres lors de la fabrication des meules provoque également de grandes difficultés quand on utilise des fibres de carbone à haute résistance pour le renfort. Indépendamment de cela, il corvient aussi de mentionner que d'un point de vue purement technique, les fils en fibres de verre, et en particulier ceux à haute résistance, vieillissent relativement facilement et rapidement. En particulier quand l'humidité est importante, on peut constater une diminution de la résistance allant jusqu'à 30 % en 100 jours. Une diminution irréversible de la résistance se produit déjà lors du durcissement des fibres de verre, et pour une température de durcissement de 2000C, la diminution peut atteindre de 10 à 20 . Pour limiter la diminution de résistance des fibres de renfort par destruction et vieillissement, on est forcé de constituer une réserve de sécurité sous la forme d'une proportion plus élevée du renfort. Comme on ne peut pas, ou seulement dans une faible mesure, augmenter la résistance mécanique ainsi que le module E des agglomérants organiques habituels (résines) pour meules, on en vient actuellement à augmenter toujours plus le pourcentage en volume du renfort dans la meule quand on fabrique des meules à haute vitesse. Mais une augmentation du pourcentage en volume du renfort entrain des inconvénients graves. En particulier, on est forcé de réduire la partie active de la meule (grains abrasifs et matières de remplissage à action abrasive) et de ce fait on est amené à réduire le facteur de puissance. Dans le cas où on utilise un renfort en fibres de verre, on constate lors du meulage une tendance pour la surface externe de la meule à se boucher provenant du verre qui fond, ce qui réduit considérablement la capacité de coupe et fait chauffer la meule. Des effets comparables se manifestent en outre surtout quand on utilise des fibres thermoplastiques. L'objet de l'invention est une meule, et en particulier une meule à tronçonner, susceptible d'avoir une vitesse périphérique plus importante avec une stabilité suffisante, et une capacité de meulage à plus basse température tout en contenant un renfort en proportion égale ou plus faible. Selon l'invention, ce but est atteint du fait que le renfort est constitué par des fibres d'une longueur supérieure à 10 mm et dont le module E est plus grand que 1x104 kp/mm2. Il est prévu de préférence que le renfort soit pourvu d'une couche superficielle ayant une bonne adhérence sur les fibres et créant une liaison chimique et/ou physique suffisante sur le plan mécanique avec l'agglomérant, constituée par une résine ou un mélange de résines et de l'agglomérant utilisé dans le corps de la meule, le résultat étant que le renfort est encastré dans une cou che de grains abrasifs fins ou un agglomérant à action abrasive constitué par des grains fins. En ce qui concerne les fibres du renfort, il est proposé selon l'invention des fibres de verre à haute résistance, des whiskers (cristaux durs) monocristallins, des whiskers métalliques polycristallins, des fibres de carbone, des fibres de bore et des fils de métal étiré, du nitrure de bore en outre, du carbure de silicium ainsi que des fibres organiques à haute résistance et résistant à la chaleur, de module E élevé (telles que des polyaramides). En ce qui concerne les fils métalliques, on utilise selon l'invention particulièrement ceux qui sont constitués en acier à forte teneur en carbone. L'ordre de grandeur des valeurs de référence du module E et de la résistance à la traction de ces fibres est le suivant Module d'élasticité E > / 100 GN/m2 (kN/mm2) Résistance à la rupture par tractionCZ,E > / (jN/mm2) Pour améliorer le maintien des fibres dans la matrice de l'agglomérant, il est proposé selon l'invention que les fibres soient pourvues d'une couche superficielle présentant une affinité chimique et/ou physique élevée avec l'agglomérant et les fibres. Dans ce cas, les fils métalliques peuvent autre par exemple pourvus dXune couche d'impression. es fibres de carbone sont de préférence oxydés en surface, ou b;en des whiskers de C ou de SiC sont déposés en surface. Les fibres à haute résistance provoquent souvent des difficultés lors de la fabrication de tissus de type standard(à résistance et rigidité approximativement égales dans la direction de la channe et celle de la trame). De ce fait, il est prévu en outre que la meule contienne comme renfort au moins un tissu dont la trame (ou la chaSne) comprend des fibres possédant les propriétés mentionnées de résistance et de module E élevés, et dont la channe (ou la trame) est constituée par des fibres plus élastiques et plus souples, par exemple des fibres de verre ou des fibres organiques habituelles (tissus dits unidirectionnels). Un exemple de réalisation préféré prévoit au moins deux tissus de ce type disposés croisés. En ce qui concerne les grains fins abrasifs, on utilise des abrasifs connus, tels que le corindon, le carbure de silicium, le carbure de bore et comme matière de remplissage à action abrasive des matières telles que la cryolithe, la pyrite, etc. La mise en place du renfort dans les grains abrasifs peut s'effectuer aussi bien lors de l'imprégnation du renfort en tant qu'opération de préparation, que seulement lors de la fabrication du corps de la meule. Grâce à cet enrobement dans des grains fins, qui évidemment lors du processus de fabrication qui ne constitue pas un objet de l'invention, est imbibé du matériau de recouvrement mentionné, les fibres de renfort sont, d'une part protégées lors du processus de fabrication du corps de la meule (pressage), et d'autre part l'effet mentionné de bouchage de la surface externe de la meule est réduit lors d'une opération de meulage. On conserve des valeurs élevées pour la résistance mécanique et le module E, meme lorsqu'il s'agit de renforts susceptibles d'être entaillés tels que des renforts en fibres de carbone. Grâce au mode de réalisation selon lrinvention de la-meule à meuler ou à tronçonner, on peut obtenir une vitesse périphérique élevée avec une tendance plus faible au flottement, une stabilité dynamique élevée et de ce fait un gauchissement de coupe aussi réduit que possible. Par ailleurs, le danger d'éclatement de la meule est considérablement réduit. On améliore par ailleurs la qualité de la surface des matériaux meulés ou tronçonnés avec cette meule. Il est avéré essentiel que les fibres ou les fils de renfort utilisés selon l'invention présentent pour une résistance à la traction égale ou même améliorée, un module E nettement plus élevé que pour les fibres de renfort habituelles, ce module étant maintenu dans sa totalité ou avec seulement une faible réduction quand on utilise la meule. Selon l'ånvention, on a pu fabriquer des meules dont le module E était de cinq fois celui de meules classiques pourvues de renforts en fibres de verre habituels. De même, les valeurs de li résistance mécanique (résistance à la traction, vitesse périphérique d'éclatement de la meule) étaient le double des valeurs habituelles. Ceci est particulièrement important, car une augmentation du module E n'est possible dans la technique actuelle que dans une faible mesure pour les agglomérants de corps de meules organiques en tant que tels (résines phénoliques, époxy, polyester, etc.). En pratique, il n'est seulement question que d'agglomérants renforcés de fibres. Il est présenté ci-après les valeurs du module E et de la résistance que l'on a obtenues avec des meules d'essai ren- forcées de fibres. Les corps des meules dressai ont été fabriqués de manière habituelle avec des grains abrasifs et un mélange de résine phénolique et de charge inorganique faisant fonction d'agglomérant. Le rapport (de poids) entre la résine et l'agglomérant étant de i : 1. Pour tous les types de fibres, le pourcentage de renfort a été de 20 ffi en volume de la masse de la meule (grains + Fagglo- mérant). Les fibres ont été utilises sous la forme de tissus unidirectionnels pour limiter les influences du mode de tissage ou bien pour pouvoir fabriquer le tissu aussi simplement que possible. Les surfaces externes des fibres ont été pourvues de couches superficielles améliorant leur tenue, et les fibres de C ont été oxydées alors que les fils d'acier et les fibres de verrue ont été pourvues d'une couche de fond. Données concernant les fibres de renfort utilisées Description Caractéristiques plus précises Module E Résistance à GN/m l'arrache- ment GN/m Verre Verre E, pauvre en alcalis 73 2.2 Verre 8 85 4.4 Acier Acier au carbone 200 4.0 Fibres C Fibres de carbone de résis tance et de module E moyens 300 2.5 Fibres B Pilaments de bore à àme de wolfram 420 3.0 L'imprégnation des tissus et la densité des fibres ont été réalisées de-la m8me manière que l'agglomération des meules formées avec une résine phénolique et une matière de remplissage inorganique sous forme de grains abrasifs fins.Ensuite, le tissu a eté imbibé d'une solution de résine phénolique, introduit dans la matière de remplissage, puis séché à la manière habituelle au degré nécessaire pour présenter la consistance voulue pour son façonnage. Formule de base : Corindon normal pour tamis de 30 mailles ............... 70 parties Résol phénolique (fluide) ... 10 parties Résine phénolique / Novalak (sous forme pul vérulente) .................. 4 parties Cryolite (sous forme pul vérulente) .................. 14 parties Densité de pressage (sans renfort) = 2,70 Deux tissus croisés ont été introduits dans le corps de la meule pour constituer le renfort interne, de manière que les deux couches externes de la masse de la meule représentent chacune la moitié de l'épaisseur de la couche intermédiaire. Les meules ont été pressées et durcies de la manière habituelle. Ensuite, on a mesuré le module E et la résistance et on a calculé la fréquence de résonnante du module E. Comme déjà expliqué, celle-ci constitue une mesure pour la rigidité des cotés et la stabilité~dynamique de la meule, et de ce fait constitue un critère pour la vitesse périphérique (vitesse de travail) hahabituelle de meulage. Les résultats sont rassemblés sehématiquement dans le tableau qui suit. On a pris pour base (100 ) les valeurs des corps de meule selon l'invention renforcés de fibres de verre Matière du Module E de la Fréquence de réso- Vitesse périphérirenfort meule d'essai nance de la meule que possible pour en f d'essai en % X) meulage en Verre 100 100 100 Fil fin d'acier 250 150 150 Fibre de C 400 200 200 Fibre de B 500 220 220 x) Valeurs de la fréquence de résonance calculées à partir des valeurs mesurées du module E. On a constaté une bonne concordance entre les vitesses péri phériques possibles obtenues à partir des fréquences de résonance calculées et le comportement dynamique obtenu lors du meulage d'essai. Naturellement, un autre critère est constitué par la vitesse permise fixée par les vitesses périphériques d'éclatement et les prescriptions de sécurité. Lorsqu'on a utilisé du verre S, celles-ci étaient d'environ 30 o plus élevées que pour du verre E, mais la stabilité dynamique est approximativement la même pour ces deux types de verre. On ne peut donc obtenir des rigidités élevées qu'avec des fibres possédant un module E élevé. Une autre condition est le comportement du module E lors du processus de fabrication du corps de la meule. Lors d'un meulage avec la meule d'essai, on a constaté un revêtement (par fusion) nettement plus faible des surfaces externes de la meule que pour des meules habituelles. Grâce à la présente invention, il est donc possible d'une part dtaugmenter la vitesse de travail en utilisant des fibres à haute résistance telles que des fibres de carbone, des fibres d'anier, des fibres de bore, etc. sans augmenter le pourcentage en volume relatif du renfort dans la meule, et d'autre part il est possible de réduire considérablement, grâce à l'enrobage de l'invention, les pertes de résistance survenant lors du processus de fabrication habituel et qui, comme déjà mentionné sont situés entre 5 et 90 . Finalement, on obtient de grands avantages même en utilisant les fibres de verre habituelles. REVENDICATIONS 1. Meule constituée par des grains abrasifs, un agglomérant constitué par une base de résine synthétique et de préférence thermoplastique, et de préférence une matière de remplissage constituée par un renfort en fibres à haute résistance enrobées dans le corps de la meule, caractérisée en ce que les fibres de renfort ont une longueur supérieure à 10 mm et un module d'élasticité supérieur à lut04 kp/mm 2. Meule selon la revendication 1 caractérisée en-ce que le renfort en fibres est constitué par des whiskers monocristallins et/ou des whiskers métalliques polycristallins et/ou des fibres de bore. 3. Meule selon la revendication 2, caractérisée en ce que les whiskers sont constitués par des fibres synthétiques et de préférence inorganiques. 4. Meule selon la revendication 1, caractérisée en ce que les fibres sont pourvues d'une couche de revêtement de surface présentant une affinité chimique et/ou physique élevée avec l'agglome- rant. 5. Meule selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la surface externe des fibres est oxydée. 6. Meule selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le renfort comprend au moins un tissu dont la trame est constituée par des fibres dont le module d'élasticité est supérieur à 1x104 kp/mm2 et dont la chaine est constituée par des fibres élastiques et flexibles telles que des fibres de verre et des fibres organiques. 7. Meule selon la revendication 6, caractérisée en ce qu'elle est pourvue d'au moins de deux tissus croisés. 8. Meule constituée par des grains abrasifs, un agglomérant constitué par une base en résine synthétique et de préférence thermoplastique, et de préférence une matière de remplissage constituée par un renfort en fibres à haute résistance enrobées dans le corps de la meule, les fibres de renfort ayant une longueur supérieure à 10 mm et un module d'élasticité supérieur à 1x104 kp/mm2, caractérisée en ce que le renfort est pourvu dtun revêtement adhérant bien sur les fibres et constituant avec l'agglomérant de la meule une liaison chimique et/ou physique suffisante sur le plan mécanique, constitués par exemple par une résine ou un mélange de résines et de l'agglomérant utilisé dans le corps de la meule, le renfort étant enroulé dans une couche de grains fins abrasifs ou d'une matière de remplissage à action abrasive à grains fins. 9. Meule selon la revendication 5 et/ou la revendication 8, caractérisée en ce que les fibres sont des fils de carbone à haute résistance dont la surface externe est oxydée. 10. Meule selon la revendication 1 et/ou la revendication 8, caractérisée en ce que les fibres sont constituées par des fils métalliques étirés constitués de préférence par de l'acier au C fortement allié, et en ce que les fils métalliques sont pourvus d'une couche de fond.