Brevet FR2505724A1 — publié le 19821119

La présente invention concerne un procédé de fabri- cation de disques à rainure d'étranglement pour des étran- gleurs réglables. Des disques de ce type sont utilisés entre autres dans des étrangleurs réglables qui, dans des éléments tem- porisateurs RC pneumatiques, représentent l'organe de dé- termination du temps (cf demande de brevet en R F A. DE-OS 22 04 667) Les temps de retard minimaux et maximaux qu'il est possible d'obtenir par réglage avec ces éléments temporisateurs diffèrent dans la pratique suivant un rap- port de 1 à 100 et il est en outre demandé à ces appareils une grande précision dans le réglage des temps situés en- tre ces limites et dans la tenue de ces temps. Comme la résistance à l'écoulement du canal défini par une rainure d'étranglement ouverte et le disque qui la recouvre varie avec la profondeur de la rainure élevée à la puissance quatre, la réalisation de la rainure est sou- mise à des exigences extrêmement sévères en ce qui concer- ne sa précision, exigences qui ne peuvent généralement ê- tre satisfaites que par un usinage individuel coûteux. Si, pour obtenir un coût de fabrication acceptable, on renonce à cet usinage de précision onéreux, le réglage précis d'un élément temporisateur contenant ce disque d' étrangleur sur un temps de retard donné doit être effectué chaque fois au moyen d'un chronomètre, car on ne peut se fier tout bonnement à l'échelle graduée placée sur l'étran- gleur L'économie réalisée lors de la fabrication du disque à rainure est annulée par le temps, et donc l'argent, dé- pensé lors du réglage et cela joue en particulier lorsqu' on doit procéder à de fréquentes modifications du réglage, comme c'est le cas lors d'un changement de programme dans une commande qui contient des éléments temporisateurs pneumatiques. L'invention a donc pour objet de fournir un procédé qui permette une fabrication peu coûteuse de disques d'é- trangleurs tout en respectant avec précision la géométrie nominale de la rainure d'étranglement. A cet effet, le procédé selon l'invention consiste à réaliser dans un matériau facilement façonnable par en- lèvement de matière une ébauche de modèle avec une rainure de départ ayant des dimensions inférieures à celles preco- nis&es, à mesurer sur l'ébauche montée dans un corps d'é- trangleur la section de la rainure par la résistance à 1 ' écoulement de celle-ci et, par des retouches d'usinage par enlèvement de matière effectuées en fonction de la dif- férence entre la caractéristique d'étranglement désirée et celle trouvée, donner à la rainure de départ de l'ébauche la géométrie de section nominale de la rainure d'étrangle- ment finie, puis à tirer du modèle positif ainsi obtenu un modèle négatif et, en utilisant ce dernier, mouler par injection de matière thermoplastique les disques à rainure désirés Le modèle négatif peut être tiré du modèle posi- tif par galvanoplastie. Dans le procédé selon l'invention, l'usinage m 6 cani- que de précision et la mesure de la rainure d'étranglement, deux opérations complexes et coûteuses, ne sont effectués qu'une seule fois, avec beaucoup de soin, après quoi, les disques moulés par injection, à peu de frais, sur un modè- le négatif qui présente en relief l'empreinte de la rainu- re avec une géométrie optimale, possèdent tout la réplique exacte de cette rainure. Selon une autre caractéristique de l'invention, la rainure obtenue dans le modèle positif après les retouches d'usinage, subit encore d'autres retouches pour tenir compte du retrait de la matière plastique lors de son re- froidissement dans le moule On peut alors utiliser pour le moulage des disques des matières plastiques qui subis- sent un retrait relativement important, par exemple des matières plastiques ayant une faible teneur de charge. La mesure de la résistance à l'écoulement de la rai- nure du modèle positif peut avoir lieu à une température qui, compte tenu du coefficient de dilatation du matériau du modèle positif et de celui de la matière plastique, est inférieure à celle à laquelle le modèle négatif est réali- sé d'une valeur telle, qu'à l'intérieur de cette plage de température, on obtient sur le modèle positif le même re- trait que dans la matière moulée par injection, lors de son refroidissement dans le moule Ceci permet de compen- ser correctement le retrait, même pour des rainures dont la géométrie est compliquée, car le modèle positif est sou- mis, du fait de la température, aux mêmes modifications de géométrie que le produit moulé, seul le sens de ces modifi- cations étant inversé. Les retouches d'usinage peuvent être effectuées sur l'ébauche en fonction de la caractéristique effective d'é- tranglement mesurée à une température plus basse. Le modèle négatif peut être réalisé à la températu- re ambiante et le modèle positif peut être soumis aux me- sures de résistance à l'écoulement à de basses températu- res Ceci permet d'utiliser pour le modèle positif une matière plastique et ces matières plastiques, en particu- lier l'ABS, ont un coefficient de dilatation très impor- tant et se prêtent bien à la confection de modèles néga- tifs par galvanoplastie On peut, avec elles, produire thermiquement des modifications relativement importantes de la géométrie et imiter fidèlement l'effet de retrait. On peut aussi mesurer la résistance à l'écoulement sur le modèle positif à la température ambiante et réali- ser le modèle négatif à des températures élevées en utili- sant un matériau stable, ayant un faible coefficient de dilatation Ceci présente l'avantage de pouvoir effectuer les retouches à la température ambiante On peut aussi fabriquer le modèle positif avec un matériau qui n'a pas un très fort coefficient de dilatation et, en contrepar- tie, le chauffer plus fortement pour la confection du modè- le négatir Dans ce cas, on peut confectionner le modèle négatif en utilisant un matériau pulvérulent fin, qui, aux températures de confection de ce modèle, se fritte directement sous pression dans le modèle positif. Lorsque dans les disques d'étrangleur le fond de la rainure s'abaisse de façon linéaire dans le sens péri- phériférique, on fait tourner l'outil d'usinage par enlè- vement de matière, dont le profil de coupe correspond à celui de la rainure, autour d'un axe qui est incliné sur la normale de l'ébauche d'un angle égal à l'angle d'hélice de la rainure d'étranglement dans le produit fini, augmen- té éventuellement d'un petit angle tenant compte du retrait lors du moulage par injection On peut ainsi réaliser de façon particulièrement commode et précise des rainures dont le fond a une faible pente et, par une simple inclinaison supplémentaire donnée à l'axe autour duquel tourne l'outil, tenir grossièrement compte du retrait de la matière plasti- que lors du moulage. De toute façon, l'invention sera bien comprise à lé aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé, représentant, à titre d'exemple non limitatif, un élément temporisateur, un disque à rainure et diverses phases de ce procédét Fig 1 est une vue en coupe longitudinale d'un élé- ment temporisateur pneumatique muni d'un étrangleur régla- comme organe de détermination du temps; Fig 2 est une vue de dessus d'un disque d'étran- gleur de l'élément de fig 1, sur une des faces circulai- res duquel est formée une rainure d'étranglement; Fig 3 représente de façon très schématisée l'usina- ge d'un modèle positif pour un disque d'étrangleur dont la rainure a une géométrie spéciale et simple; Fig 4 montre les diverses étapes de la fabrication de disques d'étrangleur en matière plastique. L'élément temporisateur pneumatique représenté à la figure 1 possède un bottier en matière plastique 10, en forme de godet parallélépipédique, fermé par un couvercle 12 Ce bottier 10 possède un fond 14, deux parois latéra- les verticales 16 et deux parois latérales horizontales 18 Un soufflet 20, qui, par une de ses extrémités, est fixé de façon étanche sur la face en bout libre d'un corps d'étrangleur 22 porté par le couvercle, et, à son autre extrémité, est fermé de façon étanche par une plaque 24, constitue la capacité d'un élément RC pneumatique Ce soufflet 20 est sollicité vers sa position déployée, re- présentée à la figure 1, par un ressort hélicoïdal inté- rieur 26 travaillant en compression. Il est prévu dans la plaque 24 un orifice 28 que traverse une tige de soupape 30 Cette tige porte à son extrémité de droite (à la fig 1) un obturateur plat 32 légèrement déformable par élasticité, qui se trouve à I' intérieur du soufflet L'autre extrémité de la tige 30 porte un siège 34 pour l'appui d'un ressort hélicoïdal 38, qui, à son autre bout, s'appuie contre la plaque 24 et est moins puissant que le ressort 26. Un palpeur pneumatique de fin de course 36, porté par le bo Xtier 10, coopère avec la plaque 24 pour la com- mande d'une charge pneumatique, par exemple un étage, placé en aval, d'une commande pneumatique à programme. Lorsque le siège 34 est déplacé vers la droite de la figure 1 contre la force du ressort 38, l'obturateur 32 s'écarte de la plaque 24 et l'air contenu dans le souf- flet 20 peut, lorsque ce dernier se contracte, s'écouler à l'intérieur du bottier 10 en passant par l'orifice 28. Si, après compression du soufflet 20, on relâche le siège 34, l'obturateur 2 vient fermer l'orifice 28 et le soufflet 20 se déploie en aspirant de l'air contenu dans le boîtier L'air aspiré s'écoule par des orifices d' entrée 42 disposés à intervalles réguliers dans le sens périphérique de la paroi de révolution 40 du corps d'é- trangleur 22 en forme de godet, près du bord libre de ce corps, et pénètre dans un disque filtrant 44 fait d'un ma- tériau élastique à pores ouverts La face du disque 44 située à droite à la figure 1 prend appui contre le cou- vercle 12 du boîtier et l'autre face, située à gauche, presse élastiquement un disque à rainure 46, par toute sa surface et de façon étanche aux fluides pneumatiques, con- tre le fond 48 du corps d'étrangleur 22. Dans la face du disque 46 située à gauche à la figu- re I est formée une rainure d'étranglement 50, dont la li- gne médiane est concentrique à l'axe du disque et dont la section, de forme triangulaire, a une surface qui varie constament dans le sens périphérique Dans la forme d' exécution considérée, la section de la rainure 50 a la forme d'un triangle équilatéral et la profondeur de la rai- nure augmente de façon linéaire dans le sens périphérique. A son extrémité qui présente la section maximale, la rainure d'étranglement O est en communication avec un alésage 52, qui traverse le disque dans le sens axial, dé- bouchant sur la face du disque située A droite à la figure 1, et fait donc communiquer la rainure avec l'interieur du bottier 10 par l'intermédiaire du disque filtrant 44 et des orifices d'entrée 42. Il est prévu dans le fond 48 du corps d'étrangleur 22, aligné radialement sur la ligne médiane de la rainure , un canal 54, qui débouche sur la face en bout du corps 22 située à gauche à la figure 1, en un point qui, dans le sens radial, se trouve A l'intérieur du soufflet 20. Un arbre 58 est, près de son extrémité extérieure, monté en rotation dans le couvercle 12 et, A son extrémité intérieure, il présente une partie de plus petit diamètre , qui tourillonne dans le fond 48 du corps d'étrangleur 22 Entre ses deux extrémités, l'arbre 58 présente un car- ré d'entraînement 62, qui traverse une ouverture 64 de sec- tion complémentaire ménagée au centre du disque à rainure 46, établissant ainsi une liaison positive entre ce dernier et l'arbre Une poignée 66 est montée A l'extrémité exté- rieure de ce dernier. Le fond 14 du bottier 10 porte un vérin pneumatique 68, sommairement représenté à la figure 1, dont la tige de piston 70 agit par son extrémité libre arrondie sur le siè- ge de ressort 34. La figure 2 montre le disque 46 par sa face dans la- quelle est formée la rainure Dans le cas d'un usinage piè- ce par pièce, la rainure d'étranglement 50 peut être réali- s&ée & l'aide d'une fraise conique correspondant à la sec- tion qu'elle doit avoir, fraise qui avance axialement vers le disque tandis que celui-ci tourne sur son axe. La figure 3 illustre une manière simple de fabri- quer une variante 46 ' de disque à rainure, dans laquelle la section de la rainure d'étranglement 50, ne diminue progressivement que sur un angle de 180 environ, après quoi elle augmente de nouveau de façon symétriquement op- posée Un disque à rainure de ce type peut être fabriqué simplement en utilisant un outil de coupe 68 ' dont la pointe a une forme correspondante à celle de la section de la rainure, outil qu'on fait tourner autour d'un axe 70 ' qui est incliné sur l'axe 72 ' du disque 46 ' d'un angle é- gal à l'angle d'hélice de la rainure 50 ' Si, dans un dis- que ainsi réalisé, on place ultérieurement un moyen d'ar- rêt sur un côté de l'alésage 52 ', on peut alors obtenir une zone de réglage de plus de 1800, voire de presque 250 ', et l'on a dans la zone même des plus grandes résistances à l'écoulement un réglage relativement fin de la caracté- ristique d'étranglement, car la section de la rainure aug- mente de nouveau. Il est décrit maintenant, en référence à la figure 4, un procédé qui permet de fabriquer en grande série des disques à rainure en matière plastique tout en satisfai- sant les exigences les plus sévères en matière de préci- sion Les différentes étapes de ce procédé sont illustrées de façon très schématisées de a) à g). En a), une rainure 76 est taillée à l'aide d'un ou- til 78 dans une ébauche de disque 74 Les cotes de cette rainure de départ 76 sont inférieures aux cotes préconi- sées pour la rainure finie 50. L'ébauche 74 munie de la rainure 76 est ensuite montée dans un corps d'étrangleur 22 et on détermine la caractéristique de l'étranglement ainsi obtenu en mesurant la résistance à l'écoulement pour diverses positions angu- laires de l'ébauche en utilisant une source d'air comprimé et un débitmètre 82 Ceci est représenté sommairement en b). Puis, en c), la rainure 76 est retouchée en utili- sant l'outil 78 (ou éventuellement un outil de coupe plus fin de géométrie identique, par exemple un outil de recti- fication ou de rodage) et en tenant compte de l'écart en- tre la caractéristique réelle de l'étrangleur et sa carac- téristique nominale. -On répète les opérations b) et c) jusqu'à ce que 1 ' écart précité soit nul L'ébauche 74 est alors devenue un modèle positif 84 de disque à rainure 46. Au cours de l'étape suivante d), la température de fabrication Tm du modèle positif est élevée à une tempéra- ture de fabrication Tf de modèle négati F qui est telle, qu'il en résulte une dilatation thermique du modèle posi- tif correspondant, en sens inverse, au retrait subi par la matière plastique utilisée pour la fabrication des disques à rainure, lorsqu'elle se solidifie et se refroidit dans le moule d'injection. Au cours de l'étape e) le modèle négatif 86, qui sert de moule d'injection, est confectionné à la températu- re Tf. Au cours de l'étape f) on utilise le modèle négatif 86 pour mouler par injection les disques à rainure en ma- tière plastique 46, qui, en refroidissant, deviennent des répliques exactes du modèle positif à la température Tm et ont donc la caractéristique d'étranglement désirée. Com-e matériau pour le modèle positif 84, on en uti- lise un qui, outre une bonne aptitude à l'usinage par en- lèvement de matière, présente un coefficient de dilatation aussi élevé que possible, afin que la différence entre les températures Tm et Tf ne soit pas trop grande Entrent tout d'abord en ligne de compte des matières plastiques comme le polytétrafluoréthylène ou l'ABS (acrylonitrile- butadiène-styrène) Cette dernière résine est particulière- ment indiquée, car elle permet la fabrication d'un modèle par galvanoplastie. Comme la galvanoplastie impose des températures Tf optimales et comme, en outre, les matières plastiques ne peuvent supporter un fort réchauffement, de l'ordre de C, au-dessus de leur température de façonnage sans perdre une partie de leur résistance mécanique, on peut, lorsqu'on choisit une matière plastique comme matériau pour le modèle positif 84, prendre une température Tm in- férieure en proportion à la température ambiante, c'est-à- dire effectuer-au moins l'opération b) sur une ébauche 74 fortement refroidie On peut à cet effet, placer tout sim- plement l'ensemble de l'étrangleur dans un enveloppement réfrigérant de C 02 et d'alcool ou le refroidir fortement en utilisant de l'air liquide, éventuellement dans un cryo- stat muni de thermostats Il suffit de veiller à ce que I' intérieur de l'étrangleur soit exempt d'humidité (rinçage préalable à l'azote sec) pour que même à ces basses tempé- ratures la possibilité de rotation du disque à rainure soit maintenue. Comme matériau pour le modèle positif, on peut choisir aussi, à la place des matières plastiques, un mé- tal qui possède un fort coefficient de dilatation, usiner l'ébauche métallique à la température ambiante et, pour la confection du modèle négatif, chauffer le modèle positif obtenu bien au-dessus de cette température On peut alors utiliser pour le modèle négatif un matériau résistant aux fortes températures et qui possède un faible coefficient de dilatation, comme AI 203 broyé fin, et le fritter sous pression et à des températures élevées dans le modèle po- sitif en confectionnant le modèle négatif (en ajoutant é- ventuellement un liant ou un fondant) Le refroidissement du modèle négatif ainsi obtenu n'a lieu évidemment que lorsqu M Il n'est plus lié au modèle positif. Si cela est nécessaire, on peut, après démoulage et refroidissement, obturer complètement les pores de la sur- face du modèle négatif par vaporisation de métal suivie de l'application d'un revêtement métallique par galvanoplas- tie Un modèle négatif fritté ainsi confectionné est en- suite collé sur un matériau résistant pour pouvoir suppor- ter les sollicitations dynamiques qui se produisent dans un moule d'injection. Pour des formes de section particulièrement simples de la rainure d'étranglement, on peut calculer à l'avance avec une précision satisfaisante pour un grand nombre d' usages la diminution de section de la rainure dans le pro- duit moulé lors de son refroidissement dans le moule et, après les étapes b) et c) du procédé, effectuer au lieu de l'opération d) décrite plus haut un usinage supplémentaire par enlèvement de matière, pour tenir compte du retrait calculé et le corriger à l'avance. Bien que cela tombe sous le sens, il convient de si- gnaler que les modifications de géométrie dues à l'effet de la chaleur sont fortement exagérées dans la reproduc- tion qui en est faite à la figure 4. Le procédé nouveau selon l'invention convient en particulier pour la réalisation de la rainure d'étrangle- ment de potentiomètres ou de résistances tournantes pneu- matiques, ainsi que pour des minuteries ou des éléments temporisateurs, dans lesquels une relation linéaire entre la résistance à l'écoulement et l'angle de rotation est souvent indésirable Il s'est révélé avantageux que chaque valeur de l'échelle graduée corresponde, selon l'invention, au logarithme de la quantité de fluide débitée par unité de temps, compte non tenu d'un facteur et d'une constante ajoutée, afin que dans ce cas le réglage puisse être effec- tué avec une précision relative constante, ce qui nécessi- terait selon l'invention un canal en forme de partie de circonférence, dont la section représente une fonction dé- terminée de l'angle de rotation (il faut tenir compte a- lors de ce que la résistance à l'écoulement d'un morceau de tube de longueur "L" et de diamètre intérieur "D" est, d'une part, directement proportionnelle à "L" et, d'autre part, Inversement proportionnelle au diamètre élevé à la puissance quatre). Dans le procédé selon l'invention, on taille avec un outil ayant un angle de coupe de 600 un canal dont la section a la forme d'un triangle équilatéral (afin que la section du canal soit proportionnelle au carré de sa pro- fondeur), le dit canal étant taillé dans un même plan, en faisant tourner l'outil à une distance déterminée, autour d'un axe qui forme avec la perpendiculaire au dit plan un angle de 2 à 3 par exemple La rainure est taillée sur une portion de circonférence, comprise entre 1800 et 2100 environ En se limitant à cet angle de rotation, on obtient une échelle graduée logarithmique, avec une bonne approximation Pour une fabrication économique et reproduc- * tible, la mesure directe des rainures (pour des raison de précision) ou leur mesure indirecte par le biais de la ré- sistance à l'écoulement (pour des raisons de temps et de coût) pose des problèmes, de sorte qu'on peut, selon l'in- vention, procéder de la manière suivante: 1 réalisation d'une rainure originale trop profonde avec l'angle d'inclinaison calculé, dans une pièce de laiton par exemple (matériau facile à travailler, supportant bien le bain de galvanoplastie, séparable du nickel, moins d'exigences en ce qui concerne le coefficient de dilatation), 2 mesure de la résistance à l'écoulement en fonction de 1 ' angle de rotation, 3 correction, par exemple par rodage de la surface et/ou correction de l'angle d'inclinaison, 4 confection d'un négatif en nickel par galvanoplastie confection d'une empreinte de moule à partir du négatif, 6 moulage par injection de disques à rainure en matière plastique présentant, d'une part, une résistance satis- faisante aux sollicitations de pression attendues et, d'autre part, assez facilement déformable pour pouvoir sous la pression d'un disque ayant l'élasticité du caoutchouc s'appliquer de façon suffisamment étanche contre une surface rodée. Le procédé qui vient d'être décrit nécessite un complément, dans la mesure o lors de la réalisation de la rainure originale, il faut déjà tenir compte des dé- fauts dûs au démoulage au cours des opérations suivantes. A cet effet, il est indispensable de réaliser tout d'a- bord une rainure originale qui, en deux points: au début et à la fin, donne les valeurs de réuistance correctes. On peut ensuite, en se basant sur le faible écart entre les disques moulés par injection et la valeur nominale, calculer la déformation compensatrice que doit présenter la rainure originale. REVENDICATIONS - 1. Procédé de fabrication de disques à rainure pour des étrangleurs réglables, disques dont la rainure, formée dans une des faces planes, présente une section dont la surface varie d'un point à l'autre de sa longueur, caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser dans un maté- riau facilement façonnable par enlèvement de matière une ébauche de modèle ( 74) avec une rainure de départ ( 76) ayant des dimensions inférieures à celles préconisées, à mesurer sur l'ébauche montée dans un corps d'étrangleur ( 48) la section de la rainure par la résistance à l'écou- lement de celle-ci et, par des retouches d'usinage par en- lèvement de matière effectuées en fonction de la différen- ce entre la caractéristique d'étranglement désirée et cel- le trouvée, donner à la rainure de départ de l'ébauche la géométrie nominale de la rainure d'étranglement finie, puis à tirer du modèle positif ( 84) ainsi obtenu un modèle négatif ( 86) et, en utilisant ce dernier, mouler par injec- tion de matière thermoplastique les disques à rainure dési- rés. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le modèle négatif ( 86) est tiré du modèle posi- tif ( 84 > par galvanoplastie. 3. Procédé selon la revendication 1 ou la reven- dication 2, caractérisé en ce que la rainure ( 76) obtenue dans le modèle positif après les retouches d'usinage su- bit encore d'autres retouches pour tenir compte du retrait de la matière plastique lors de son refroidissement dans le moule d'injection. 4 Procédé selon la revendication 1 ou la reven- dication 2, caractérisé en ce que la mesure de la résis- tance à l'écoulement offerte par la rainure du modèle po- sitif a lieu à une température qui, compte tenu du coeffi- cient de dilatation du matériau du modèle positif et de celui de la matière plastique, est inférieure à celle à laquelle le modèle négatif est confectionné et ce, d'une valeur telle, qu'à l'intérieur de cette plage de tempéra- ture, on obtient sur le modèle positif le même retrait que dans la matière moulée par injection, lors de son refroi- dissement dans le moule. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que les retouches sur l'ébauche peuvent aussi être effectuées à une température plus basse en fonction de la caractéristique effective d'étranglement mesurée. 6. Procédé selon la revendication 4 ou la revendi- cation 5, caractérisé en ce que le modèle négatif est con- fectionné à la température ambiante et en ce que le modèle positif est soumis aux mesures de résistance à l'écoule- ment à de basses températures. 7. Procédé selon la revendication 4 ou la revendi- cation 5, caractérisé en ce que la résistance à l'écoule- ment sur le modèle positif est mesurée à la température am- biante et en ce que le modèle négatif est confectionné à des températures élevées en utilisant un matériau stable, ayant un faible coefficient de dilatation. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 7, pour la fabrication de disques dans lesquels le fond de la rainure s'abaisse de façon linéaire dans le sens périphérique, caractérisé en ce qu'on fait tourner 1 ' outil d'usinage par enlèvement de matière ( 68 '), dont le profil de coupe correspond à celui de la rainure ( 50 '), autour d'un axe ( 70 ') qui est incliné sur la perpendicu- laire ( 72 ') à l'ébauche d'un angle égal à l'angle d'hélice de la rainure d'étranglement dans le produit fini, augmen- té éventuellement d'un petit angle tenant compte du re- trait lors du moulage par injection.