Brevet FR2468795A1 — publié le 19810508

La présente invention concerne de manière géné- rale les machines-outils, notamment les scies à ruban, comprenant un ruban ou lame de scie flexible monté et entraîné en rotation autour de poulies-volants, et elle a plus particulièrement pour objet un procédé et un dispositif pour éviter ou réduire à un minimum les vibrations et les bruits émis par des organes flexibles de forme allongée dans les machinesoutils, notamment par une lame de scie dans une scie à ruban. L'invention ayant été faite dans un cadre de perfectionnement de scies à ruban, les problèmes conventionnels de vibration et de bruit de machinesoutils seront décrits ci-après relativement aux scies à ruban, bien que l'invention ne soit nul- lement limitée à de telles machines. On sait que la lame flexible d'une scie à ruban est habituellement montée sur deux poulies rotatives autour de deux axes espacés et sensiblement parallèles, dont l'une est commandée pour faire circuler la lame sans fin par l'appui à frottement d'un côté plat de la lame sur elle. Pour que la lame soit tendue conve- nablement, l'axe d'une des poulies ou d'une roue de tension supplé- mentaire est en permanence sollicité radialement dans le sens de son éloignement de l'autre poulie ou des poulies. De plus, l'un des brins de la lame entre les poulies glisse et est guidé dans deux guides afin que ses côtés plats soient perpendiculaires au matériau à scier. Les guides sont placés de part et d'autre du matériau et la longueur de lame comprise entre eux et sciant le matériau forme un tronçon de coupe. Dans les scies à ruban horizontales, les poulies qui supportent et autour desquelles circule la lame sont montées sur un berceau ou bras porte- ruban qui peut être abaissé jusque contre le matériau au début d'une coupe. Dans les scies à ruban verticaleles poulies portant la lame sont espacées verticalement, le tronçon de coupe de la lame est vertical et le matériau est avancé horizontalement pour être coupé par la lame. L'un des problèmes épineux posés par les scies à ruban conventionnelles est que la lame vibre pendant la coupe et émet de ce fait un bruit très aigu et perçant qui fait mal aux oreilles et nuit à la santé des opérateurs des scies. Ce bruit peut en plus constituer une nuisance pour l'environnement car les scies à ruban sont très répandues, même dans de petits ateliers implantés dans des zonas non industrielles. La vibration de la lame provoquant le bruit aigu et perçant provient principalement de ce que, pendant le sciage, en raison de sa flexibilité, la lame est mise à vibrer à une fréquence propre, non seulement dans le sens latéral mais aussi dans le sens de sa largeur, c'est-à-dire verticalement dans le cas d'une scie à ruban horizontale6. De plus, cette vibration de la lame a tendance à s'accroître ou à s'amplifier du fait que la tension du tronçon de lame venant de couper le matériau est plus élevée que la tension du tronçon de lame qui va couper le matériau, parce que la poulie motrice exerce une forte traction sur la lame. Bien qu'elle soit atténuée par les guides dons lesquels glisse la lame, la vibration de la lame est trop forte pour qu'elle puisse être réduite suffisamment par les seuls guides. Ce qui est pire encore, la vibration de la lame, outre qu'elle provoque le bruit aigu et perçant, a également des influences nuisibles sur la précision et le rendement de coupe (sur- face coupée par unité de temps) et la durée de service de la lame. Elle provoque en plus des projections de liquide de coupe. L'une de ces influences est que la surface de coupe du matériau est rendue rugueuse par la vibration de la lame. Une autre est que l'entrée de la fente formée par le sciage est plus large que sa partie normale plus profonde, de sorte qu'une coupe parfaitement droite est prati- quement irréalisable. Comme la lame a tendance à flotter, le rende- ment de coupe est diminué d'autant et l'usure de la lame - pou: du travail inutile - est accrue. La lame vibrante projetant le liquide de coupe sous forme d'un brouillard hors de la scie, il se produit une perte de liquide de coupe plus la salissure des opérateurs et des alentours de la machine. Bien que seuls des problèmes classiques des scies à ruban aient été décrits ci-dessus, à titre d'exemple, d'autres machines-outils aussi connaissent des problèmes de vibration et de bruit que l'on aimerait pouvoir résoudre. Pour revenir aux scies à ruban, un autre problème important est que la lame a tendance à glisser sur les poulies pendant le sciage. Ce glissement provient de ce que la lame est toujours recouverte d'huile de coupe ou d'un autre liquide de coupe pendant le travail. Le liquide est entraîné et déposé par la lame sur les périphéries des poulies, de sorte qu'il y a toujours un film de lubrifiant entre la lame et les surfaces périphériques des poulies. Le glissement de la lame sur les poulies provoque un endommagement plus ou moins sérieux de la lame puisque, pendant un glissement, elle est poussée dans le matériau sans le couper. Quoique le glis- sement puisse être évité dans une certaine mesure par l'augmentation de tension de la lame, une tension trop élevée provoque l'usure pré- maturée ou la rupture de la lame. L'invention vise donc à apporter un procédé et un dispositif pour éviter ou réduire à un minimum primo le bruit émis par un organe flexible de forme allongée dans une machine-outil, par une lame de scie dans une scie à ruban par exemple, secondo la vibration qui est à l'origine de ce bruit. Une caractéristique essentielle du procédé de l'invention consiste à empêcher que la combinaison d'une onde courante et d'une onde réfléchie d'une vibration à onde longitudinale - qui s'est avérée être la cause principale du bruit produit par les scies à ruban - ne donne naissance à une onde stationnaire. Selon l'inven- tion, on empoche l'onde stationnaire pouvant résulter de la vibration à onde longitudinale de s'établir en perturbant périodiquement l'onde réfléchie par le changement de longueur ou de tension de l'organe flexible de forme allongée entre ses supports, par exemple par le changement de longueur ou de tension du brin de travail d'une lame de scie entre les poulies d'une scie A ruban. Comi2 décrit par la suite, un tel changement de longueur ou de tension peut être réalisé de différentes manières. L'invention permet ainsi d'accroître la précision de travail et le rendement de machines-outils, la durée de service des outils - des lames de scie par exemple - par la diminution de l'usure, et d'éviter le glissement de la lame sur les poulies dans le cas de scies à ruban. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion ressortiront plus clairement de la description qui va suivre d'un exemple de mise en oeuvre préféré mais non limitatif, ainsi que des dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est une vue en élévation frontale d'une scie à ruban horizontale dans laquelle l'invention peut être mise en oeuvre; - les figures 2a, 2b et 2c sont des graphiques montrant la variation du bruit émis en fonction de la vitesse li- néaire de la lame d'une scie à ruban horizontalecomme celle de la figure 1; - les figures 3a et 3b sont des graphiques analogues montrant la variation du bruit émis en fonction de l'écar- tement des guides placés de part et d'autre du matériau scié; - la figure 4 est une vue en élévation frontale d'une poulie selon l'invention pour une scie à ruban horizontale comme celle de la figure 1; - la figure 5 est une vue de côté de la poulie de figure 4; - la figure 6 est un graphique illustrant les variations de longueur du brin travaillant de la lame dans une scie à ruban équipée d'une poulie comme celle des figures 4 et 5. L'invention sera décrite plus en détail relative- ment à une scie à ruban horizontale représentée sur la figure 1 et désignée dans son ensemble par 1, mais il est à souligner que l'in- vention est non seulement applicable aussi à d'autres types de scies à ruban mais également à d'autres machines-outils. La scie 1 possède, comme les scies à ruban hori- zontalmconventionnelles, un socle parallélépipédique oblong 3, sur lequel sont montés une table 5 et un étau 7 pour tenir une pièce W à scier, et un bras porte-ruban 9 qui comporte des carters espacés 11 et 13 et peut être relevé et abaissé pour l'écarter ou l'approcher du socle 3 et de la pièce W. Le bras porte-ruban 9 peut être articulé sur le socle par un axe charnière 15 et le relevage et l'abaissement peuvent être commandés par un vérin hydraulique 17 ou un autre organe approprié. Une lame de scie 19 flexible et fermée en soi est montée dans le bras 9 sur une poulie motrice 21 et une poulie folle 23 qui sont montées rotatives autour d'axes parallèles espacés 25 et 27, l'une dans le carter 11, l'autre dans le carter 13. La poulie mo- trice 21 est entraînée en rotation par l'intermédiaire de l'arbre 25 sur lequel elle est calée et elle fait circuler la lame 19, tandis que la poulie folle 23 est sollicitée en permanence dans le sens de son éloignement de la poulie motrice 21 par un dispositif approprié pour que la lame 19 reste convenablement tendue. Dans la zone de coupe de la scie 1, la lame 19 est tenue ou guidée, de manière que son bord coupant reste bien dirigé verticalement vers le bas, par deux guides 29 et 31, définissant entre eux un tronçon de lame appelé tronçon de coupe. Les guides 29-et 31, habituellement conçus pour alimenter la lame de scie 19 en liquide de coupe, sont fixés de façon amovible sur ou sont d'un seul tenant avec les extrémités inférieures de deux bras de support 33 et 35, eux-mêmes portés par une traverse 37 fixée sur une partie supérieure du bras porte-ruban 9. L'un des bras de support 33, 35 ou les deux peuvent être déplacés sur la traverse 37 pour ajuster l'écartement entre les guides 29 et 31 en fonction de la longueur de la coupe à réaliser dans la pièce W. Donc, lorsque le bras porte-ruban 9 est abaissé par rotation autour de l'axe 15 pen- dant que la lame 19 circule autour de la poulie motrice 21 et de la poulie folle 23, la lame est ameaée en contact avec la pièce W tenue par l'étau 7 sur la table 5 puis avancée dans la pièce. Un inconvénient classique et sérieux d'une scie à ruban horizontalecomme celle décrite ci-dessus est que la lame 19 se met à vibrer pendant la coupe et produit un bruit très aigu et perçant à cause de cette vibration; un autre inconvénient sérieux est que la lame a tendance à glisser sur les poulies 21 et 23 pendant la coupe. La vibration produisant le bruit de la lame 19 a tendance à augmenter ou à s'amplifier du fait que la tension du tronçon de lame compris entre la pièce W et la poulie motrice 21 est plus élevée que la tension du tronçon de lame compris entre la pièce W et la poulie folle 23. Bien que les guides 29 et 31 atténuent la vibration de la lame 19, sa vibration est trop forte pour qu'elle puisse être réduite suffisamment par les seuls guides, de sorte que la lame 19 vibre néanmoins de façon très intense et produit de ce fait le bruit aigu et perçant. Cependant, il n'a pas été élucidé jusqu'à présent de quelle manière la vibration de la lame d'une scie à ruban engendre ce bruit gênant. C'est pourquoi la demanderesse a fait différents essais pour analyser la fréquence de la vibration et du son émis par la lame 19 pendant le travail, surtout afin de pouvoir déterminer le type d'onde de vibration produisant ledit bruit. Au cours de ces essais, un rond d'acier inoxydable (selon la norme industrielle japonaise SUS 300) de 200 mm de diamètre était tronçonné avec un rendement de coupe fixe et sous une poussée de 13 kg/cm sur une scie à ruban horizontale du type HA-404 de Amada Company, Ltd et avec une lame du type GLB-3M de la même firme. Tout d'abord, pour déterminer la variation du son émis en fonction de la variation de la vitesse linéaire de la lame, différents essais de tronçonnage ont été faits avec les guides ajustés à un écartement mutuel d'environ 200 mm et des vitesses li- néaires de la lame de 30, 40 et 60 m/min. Il ressort de ces essais que le niveau du bruit change avec la fréquence, comme représenté sur les graphiques des figures 2a, 2b et 2c. Ces graphiques montrent que les fréquences fondamentales aux vitesses linéaires de 30, 40 et 60 m/min étaient respectivement de 1400, 1425 et 1425 Hz, comme indiqué par des lignes verticales sur les figures 2a, 2b et 2c. Ces essais montrent donc que la fréquence du son émis, avec 1400 Hz pris comme fréquence fondamentale, ne varie pas tellement avec la vitesse linéaire de la lame. Il semblerait donc que la résonance de la lame et du bâti de la scie ait davantage d'influence sur le bruit. Ensuite, pour déterminer la variation du son émis en fonction de la variation de l'écartement des guides de la lame, différents essais de tronçonnage ont été faits avec une vitesse linéaire de la lame de 30 m/min et des écartements des guides de 200 et 300 mm. Il ressort des graphiques des figures 3a et 3b que les fréquences ne changent pas, avec 1400 Hz pris coime fréquence fondamentale, que l'écartement des guides soit de 200 ou 300 mm. On peut ainsi déduire de ces essais que le bruit résulte principalement de l'onde de vibration longitudinale de la lame dans une scie à ruban horizontale. Il a été constaté par ailleurs,en tapant avec un marteau sur différentes parties de la machine, que le bâti de la scie à ruban horizontale y compris le bras porte-ruban et les guides de la lame, n'ont pas d'effets de mise en résonance sur la lame. Il a été découvert au contraire que la lame forme un système vibrant indépendant avec les poulies et que le bâti de la machine forme un autre système vibrant indépendant. Les expérimentations démontrent par conséquent que le bruit provient principalement de la vibration à onde longitu- dinale et que celle-ci est indépendante du bâti de la scie. Ce résultat est rendu vraisemblable par le calcul mathématique de la fréquence de vibration propre de la scie utilisé pour les expérimentations. L'équation différentielle d'une onde longitudi- nale d'un organe flexible est exprimée comme suit = 2 C (1) t sx o C2 = E 7- e = densité E = module de Young Pour ce qui concerne la lame de scie, l'équa- tion (1) peut être transformée comme suit I.L = -E.A.r r J ' t o: u = déplacement de la lame t = temps x = coordonnées A = section de la lame IJ= moment d'inertie de la poulie folle r = rayon de la poulie motrice et de la poulie folle Lorsqu'uae onde longitudinale de vibration s'établit dans la lame d'une scie à ruban, les conditions à la limite de la lame et des poulies peuvent être exprimées comme suit: 2St 2u x I -(X =L) &;x IK 2u = -E.A.r2 i (X = O) St2 x o: IK moment d'inertie de la poulie motrice. Les équations ci-dessus ne suffisent cependant pas pour résoudre l'équation (1); de plus, les moments d'inertie IK et Ij de la poulie motrice et de la poulie folle sont très grands. Par conséquent, à supposer que les deux extrémités du brin travaillant de la lame, entre la poulie motrice et la poulie folle, soient fixes, on obtient les équations suivantes: u = O si x = L u = 0 si x = O (2) L'équation (1) est transformée comme suit: u = Q.X Q = Asin' t + B cosht (3) X = Csin - x + D cos - x o:')= vibrations propres (rad/s) A, B. C, D sont des constantes. En substituant l'équation (2) par les équations (3), les vibrations propres sont exprimées comme suit: i n.! E (4) En utilisant l'équation (4) , les vibrations propres de la lame utilisée pour les essais peuvent être déterminées comme suit: v = n. \ /2_1 x 10 x 980 = 2-.n.1891,2 (rad/s) ,8 \ 7,8 = n.1891,2 (Hz) (n = 1, 2, 3, 4...) o L = 1358 mm = 135,8 cm E = 2)1 x 104 kg/mm2 = 21 x 109 g/cm2 = 7,8 g/cm2 Le résultat de cet équation étant proche de la fréquence fondamentale de 1400 Hz, on peut en conclure que les résul- tats obtenus par les essais sont vraisemblables. Généralement, une vibration à onde longitudinale d'un organe flexible allongé fixé à une extrémité se propage le long de cet organe flexible comme une onde courante jusqu'à l'extrémité fixe et est ensuite réfléchie par l'extrémité fixe, d'o elle revient comme une onde réfléchie. Dans une telle transmission d'une vibration à onde longitudinale, l'onde courante et l'onde réfléchie sont dépha- sées mutuellement d'une demi-période et se combinent pour produire une onde stationnaire, laquelle provoque un bruit. L'onde stationnaire peut être être empêchée de se produire lorsque l'onde réfléchie est perturbée périodiquement. Selon l'invention,l'onde stationnaire pouvant résulter d'une vibration à onde longitudinale d'un organe flexible de forme allongée tel qu'une lame de scie est empêchée de se produire par la perturbation périodique de l'onde réfléchie au moyen du chan- gement périodique de la longueur ou de la tension de l'organe flexible de forme allongée. Les figures 4 et 5 représentent une poulie 21 (23) qui peut être montée comme poulie motrice 21 ou comme poulie folle 23 sur une scie & ruban horizontale1 comme celle de la figure 1. La poulie des figures 4 et 5 présente à sa périphérie des rainures 39 qui sont destinées à changer la longueur et/ou la tension de la lame 19 pendant le sciage. Les rainures 39 sont parallèles à l'axe 25 ou 27 de la poulie et se succèdent à intervalles réguliers pour modifier périodiquement la longueur ou la tension de la lame et perturber ainsi l'onde réfléchie de la vibration à onde longitudinale. Il est possible aussi, pour obtenir le même résultat, de remplacer les rainures 39 par des nervures, pouvant être constituées par des pièces fixées sur la périphérie de la poulie 21 ou 23 ou faisant corps avec la périphé- rie. En prévoyant des rainres39 sur l'une des poulies 21 et 23, la longueur L du brin travaillant de la lame 19, entre la poulie motrice 21 et la poulie folle 23, change périodiquement entre L + P12 et L - P/.2, comme représenté sur la figure 6. Ce changement de longueur résulte du fait que l'extrémité du brin travaillant s'appuie tantôt d'un côté tantôt de l'autre de chacune des rainures 39 successives. Les rainures 39 ou les nervures formées à la péri- phérie de la poulie 21 ou 23 de la scie à ruban empêchent non seulement la vibration et le bruit, comme décrit dans ce qui précède, elles empêchent également la lame 19 de glisser sur la poulie pendant le sciage. Cela provient de ce que le liquide de coupe entraîné par la lame 19 et déposé par elle sur la périphérie de la poulie est forcé dans les rainures 39, sans former un film lubrifiant entre la lame 19 et la poulie considérée. La lame 19 sera également empêchée de glisser sur la poulie lorsque celle-ci présente des nervures puisque la pres- sion appliquée à la lame 19 pour la tendre est concentrée sur ces nervures pendant le sciage. Pour empêcher la lame 19 de faire du bruit, il est possible aussi d'éviter l'établissement de l'onde stationnaire pouvant résulter de la vibration à onde longitudinale en changeant périodi- quement la tension, le module de Young (E) ou la densité de la lame 19. Il est possible encore de changer la longueur et la tension de la lame 19 en approchant et en écartant périodiquement l'une des pou- lies 21, 23 par rapport à l'autre par un dispositif approprié, par un vérin hydraulique par exemple. La tension de la lame 19 peut aussi être changée par une roue de tension installée entre la poulie motri- ce 21 et la poulie folle 23 et exerçant périodiquement une pression sur la lame 19. Dans ce qui précède, l'invention a été décrite relativement à une scie à ruban horizontale, à titre d'exemple, mais il va de soi, comme déjà mentionné, que l'invention est appliquée à tout autre organe flexible de forme allongée, en particulier de machines-outils mais sans y être limitée. L'invention n'est donc nullement limitée à la forme de réalisation décrite et l'homme de l'art pourra y apporter diverses modifications, sans pour autant sortir de son cadre. R E V E N D I C A T I 0 N S 1. Procédé pour empêcher la vibration d'un organe flexible de forme allongée, notamment pour empêcher la vibration et le bruit qui en résulte de la lame sans fin d'une scie à ruban, caractérisé en ce qu'il consiste à changer périodiquement la lon- gueur ou la tension de l'organe flexible. 2. Procédé selon la revendication 1, appliqué à la lame d'une scie à ruban, en particulier d'une scie à ruban horizontale, caractérisé en ce que l'on change la longueur ou la tension de la lame 3 de manière à empêcher, par la perturbation de l'onde réflé- chie, que la combinaison d'une onde courante et d'une onde réfléchie d'une vibration à onde longitudinale de la lame ne donne naissance à une onde stationnaire génératrice de bruit. 3. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend une série de rainures ou de nervures orientées axialement à la périphérie de la poulie motrice (21) ou de la poulie folle (23) de la scie. 4. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend un organe moteur, un vérin hydraulique par exemple, pour écarter et approcher périodi- quement l'une des poulies (21, 23) de la scie de l'autre poulie. 5. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 2. caractérisé en ce qu'il comprend une roue de tension installée entre les deux poulies (21, 23) de la scie et exer- çant périodiquement une pression sur la lame (19).