Brevet FR2503974A1 — publié le 19821015

La présente invention concerne un dispositif porte-outil chauffé à l'aide d'une bobine d'induction raccordée à une source de courant alternatif, le dis- positif porte-outil chauffant convenant particulière- ment pour des opérations o un débit de chaleur rela- tivement élevé est requis. L'utilisation pour de petits travaux de chauf- fe d'outils chauffants fonctionnant sur le principe de l'échauffement par résistance électrique est largement connue L'échauffement de ce type d'outil est basé sur le phénomène de conduction thermique entre une ré- sistance électrique chauffée par un courant électrique et la partie opérante de l'outil La puissance de chauffe de ce type d'outil est donc limitée à des va- leurs assez faibles dépendant de l'échauffement admis- sible pour les éléments constitutifs de l'outil (résis- tance, fils conducteurs, manche, etc) En effet, la température à laquelle se trouve la résistance chauffée se communique dans l'ensemble de l'outil, par conduc- tion thermique En pratique, on ne peut généralement pas dépasser des puissances de chauffe de l'ordre de 300-350 W, ce qui impose un rythme de travail lent, pour que la déperdition calorifique de l'outil soit toujours inférieure ou égale à la puissance de chauffe disponible Un tel type d'outil convient pour de petits travaux de brasage à l'étain ou autres travaux pour lesquels un faible débit de chaleur suffit I 1 ne convient par contre pas pour des travaux de brasage plus importants ni pour des travaux de découpage, sou- dage, etc de matières thermoplastiques devant être effectués à grande vitesse. L'utilisation d'outils chauffés au gaz est également connue De tels outils peuvent présenter des puissances de chauffe considérables et sont donc tout indiqués pour l'exécution de gros travaux de bra- sage à l'étain et au plomb. Pour des raisons de sécurité, ils ne convien- nent cependant pas pour des travaux à effectuer sur les matières inflammnables, comme les matières thermo- plastiques par exemple. Le principe de l'induction magnétique est lar- gement utilisé pour le chauffage dans les fours à in- duction et pour les trempes superficielles de pièces métalliques Ce principe n'a cependant jamais été ap- pliqué à des outils chauffants. Il s'avère que certains travaux de découpage, soudage, poinçonnage, etc de matières thermoplastiques seraient idéalement réalisés à l'aide d'un outil chauf- fant présentant d'une part la sécurité d'emploi des fers à souder électriques, et d'autre part une puissan- ce de chauffe comparable à celle des outils chauffés au gaz. La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précités en réalisant un outil chauf- fé électriquement de puissance nettement supérieure à celle des outils connus Par l'application des techni- ques du chauffage par induction à un outil léger et ma- niable,-le dispositif porte-outil chauffant conforme à l'invention allie trois avantages essentiels qui ne se retrouvent ensemble dans aucun outil connu, à savoir, en premier lieu une facilité et une sécurité d'emploi que seul peut conférer un outil électrique, en second lieu une puissance de chauffe comparable à celle des outils chauffés au gaz, et en troisième lieu une auto- régulation de la température même en cas d'utilisation discontinue. La présente invention a pour objet un disposi- tif porte-outil chauffant, alimenté en courant alterna- tif, fournissant une puissance de chauffe élevée et disposant d'une auto-régulation de la température. Le dispositif porte-outil suivant l'invention comprend un noyau porteoutil dont au moins und partie est enserrée dans une bague en matériau ferromagnétique, une bobine d'induction entourant la dite bague, des mo- yens assurant la connexion des extrémités de la bobine d'induction à une source d'alimentation en courant al- ternatif et un manche renfermant les éléments précités en laissant toutefois dépasser une partie du noyau porte-outil se prolongeant au-delà de la bague qui l'en- toure La dite bobine d'induction est apte, lorsqu'elle est reliée à une source de courant alternatif, à induire dans la bague en matériau ferromagnétique des courants de Foucault qui provoquent l'échauffement rapide de la bague jusqu'à la température de Curie du matériau dont la bague est formée, une auto-régulation de la tempéra- ture s'établissant autour de cette température; la chaleur induite dans la bague est transmise au noyau porte-outil par conduction thermique Il faut noter que la température à laquelle l'auto-régulation s'établit peut être fixée en choisissant judicieusement le maté- riau dont est constituée la bague parmi les matériaux ferromagnétiques. De manière plus particulière, les spires de la bobine d'induction sont constituées par un tube en un matériau bon conducteur de l'électricité; ce matériau peut avantageusement être du cuivre électrolytique. Les extrémités de la bobine sont raccordées à des tu- yaux aptes à assurer la circulation d'un liquide de re- froidissement au travers du dit tube constituant la bo- bine. Suivant une forme avantageuse de l'invention, la bague entourant le noyau porte-outil sur au moins une partie de sa longueur est réalisée en acier-au car- bone, le noyau porte-outil étant quant à lui réalisé en cuivre et se prolongeant au-delà de la bague qui l'en- toure en formant à cet endroit la partie opérante de l'outil. Selon une forme particulière de réalisation, -la partie du noyau porte-outil se prolongeant au-delà de la bague constitue directement l'outil proprement dit. Selon une autre forme de réalisation, la par- tie du noyau porte-outil se prolongeant au-delà de la bague comporte des dispositifs permettant la fixation d'un outil tel que panne, poinçon, couteau, etc Les dispositifs de fixation peuvent dans ce cas consister en une rainure longitudinale réalisée dans le noyau porte-outil permettant l'insertion de l'outil dans cette fente et en trous taraudés dans le noyau porte- outil permettant l'immobilisation de l'outil par vis. Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, les tuyaux constituant le circuit d'ali- mentation en eau de refroidissement de la bobine d'in- duction sont réalisés en une matière souple et électri- quement isolante. L'ensemble des éléments faisant partie du dis- positif porte-outil est entouré d'un manche réalisé en une matière électriquement isolante, les divers éléments que comprend le dispositif porte-outil étant scellés en leurs places respectives à l'aide d'une matière réfrac- taire thermiquement et électriquement isolante. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description, donnée à titre d'exemple non limitatif, d'une forme de réalisa- tion particulière de l'invention, référence étant faite au dessin annexé représentant une coupe longitudinale d'un dispositif porte-outil chauffant suivant l'inven- tion. Ce dispositif porte-outil chauffant comprend un noyau porte-outil 1 en cuivre de forme cylindrique, dont une extrémité 2, destinée à porter un outil, est munie d'une rainure longitudinale 11 et de trous tarau- dés 12 permettant la fixation de l'outil par vis. L'autre extrémité cylindrique 3 du noyau porte- outil 1 est enserrée par une bague 4 réalisée en un ma- tériau ferromagnétique tel que l'acier au carbone La bague + est ellemême placée à l'intérieur d'une bobine d'induction 5 dont les spires sont constituées d'un tube en cuivre électrolytique. Les extrémités de la bobine d'induction 5 peu- vent être connectées à une source de courant alternatif par des câbles conducteurs souples 8 ainsi qu'à un cir- cuit de refroidissement à eau par l'intermédiaire de deux raccords bicônes 6 et de deux tuyaux 7 de matière souple et isolante. L'ensemble est entouré d'un manche 9 en matie- re isolante en forme de tube muni à l'une de ses extré- mités d'un joint 13 enserrant les tuyaux d'alimentation en eau 7 et les câbles conducteurs 8 Les divers 61 éé- ments du dispositif porte-outil sont scellés en leurs places respectives à l'intérieur du manche ( 9) à l'aide d'une matière réfractaire ( 10) électriquement et ther- miquement isolante. Les caractéristiques de fonctionnement du dis- positif porte-outil tel que représenté à la Fig l sont très intéressantes et avantageuses - En effet, lorsque la bobine d'induction 5 est alimentée en courant alternatif, la bague 4 et le noyau porte-outil 1 sont le siège de courants induits Vu que la perméabilité magnétique du matériau ferromagnétique dont la bague 4 est formée est de loin supérieure à celle du cuivre dont le noyau porte-outil 1 est formé, les courants induits dans la bague i sont de loin supé- rieurs aux courants induits dans le noyau porte-outil 1. En choisissant judicieusement la gamme de fré- quence du courant alternatif alimentant la bobine 5, ainsi que l'épaisseur utilisée pour la bague Y, les cou- rants induits se concentrent exclusivement dans l'épais- seur de la bague 4 Pour fixer les idées, une épaisseur de la bague de 1,5 mm et une fréquence de 25 000 Hz -donnent expérimentalement d'excellents résultats. L'échauffement de la bague h est en conséquen- ce très rapide jusqu'à une température proche de la tem- pérature de Curie du matériau ferromagnétique dont est formée la bague h A ce moment, lc coefficient de per- méabilité relative du matériau ferromagnatique chute brusquement pour tendre vers une valieur unitaire à la température de Curie; l'impédance de charge chute elle aussi brusquement, ce qui provoque une diminution sen- sible de l'énergie induite dans la bague 4 Il s'éta- blit donc une autorégulation de la température de la bague 4 autour de la température correspondant au point de Curie du matériau dont la bague 4 est formée. La bague 4 peut par exemple être réalisée en acier au carbone dont le point de Curie se situe aux environs de 760 C. La chaleur induite dans la bague 4 est trans- mise au noyau porte-outil 1 par conduction thermique. Il faut observer que la circulation d'eau au travers des spires de la bobine d'induction ( 5) permet non seulement de refroidir efficacement la dite bobine, mais également de limiter la température du manche 9 à une valeur acceptable pour une manipulation de l'outil à main nue. Par l'utilisation du chauffage par induction et du refroidissement par eau, la puissance de chauffe du dispositif conforme à l'invention peut aisément at- teindre plusieurs kilowatts. Un tel dispositif porte-outil chauffant, dis- posant d'une puissance de chauffe élevée et d'une auto- régulation de la température, permet de travailler à grande vitesse et à température constante, ce qui pré- sente de nombreux avantages dans divers domaines d'ap- plication. C'est le cas notamment pour le découpage à grande vitesse de matière plastique en feuille, o la déperdition calorifique de l'outil de coupe est très importante L'utilisation d'un dispositif porte-outil conforme à l'invention permet de travailler à des vi- tesses nettement supérieures à celles admises pour les outils électriques conventionnels, et cela avec toutes les garanties de sécurité d'un outil électrique. Dans le domaine de la transformation des ma- tières thermoplastiques, le dispositif porte-outil con- forme à l'invention peut avantageusement être monté sur des machines-outils automatiques de poinçonnage, décou- page, matriçage, soudage, etc Il permet d'augmenter fortement la vitesse de production tout en garantissant une qualité d'exécution constante obtenue grâce à l'au- torégulation de la température de l'outil. Le dispositif porte-outil conforme à l'inven- ti on peut encore être utilisé dans de nombreux domaines d'application, comme par exemple pour le brasage à l'étain ou au plomb, et pour tous types d'opérations de chauffe o le dispositif porte-outil est utilisé comme fer à souder de forte puissance. Bien entendu, l'invention n'est p as limitée aux formes d'exécution qui ont été décrites et repré- sentées à titre d'exemple non limitatif, et de nombreu- ses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. R E V E N D I C A T I O N S. 1 Dispositif porte-outil chauffant électri que, caractérisé en ce qu'il comprend un noyau porte- outil ( 1) en un matériau bon conducteur de la chaleur dont une partie ( 3) est enserrée dans une bague (-) en matériau ferromagnétique, une bobine d'induction ( 5) en- tourant la dite bague ( 1), des moyens aptes à assurer la connexion des extrémités de la bobine d'induction ( 5) à une source d'alimentation en courant alternatif, et un manche ( 9) renfermant les éléments précités en lais- sant toutefois dépasser une partie ( 2) du noyau porte- outil se prolongeant au-delà de la bague ( 4) qui l 'en- toure, la bobine ( 5) étant apte, lorsqu'elle est reliée à une source de courant alternatif, à induire dans la bague ( 4) en matériau ferromagnétique des courants de Foucault provoquant un échauffement rapide de la bague ( 4) jusqu'à proximité de la température de Curie du ma- tériau dont la bague (+) est formée, une autorégulation de la température s'établissant autour de cette tempéra- ture, et la chaleur induite dans la bague (i) étant transmise au noyau porte-outil ( 1) par conduction ther- mique. 2 Dispositif porte-outil chauffant suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les spires de la bobine d'induction ( 5) sont réalisées en cuivre. 3 Dispositif porte-outil chauffant suivant l'une quelconque des revendications précédentes, carac- térisé en ce que les spires de la bobine d'induction ( 5) sont constituées par un tube en un matériau bon conduc- teur de l'électricité, dont les extrémités sont raccor- dées à des tuyaux ( 7) par l'intermédiaire desquels le dit tube peut être connecté à une installation apte à assurer une circulation de liquide de refroidissement au travers du dit tube. 1 Dispositif porte-outil chauffant suivant la revendication 3, caractérisé en ce que les tuyaux ( 7) par l'intermédiaire desquels le tube dont est constituée la bobine ( 5) peut être connecté à une installation apte à assurer une circulation de liquide de refroidissement au travers du dit tube sont réalisés en une matière souple et électriquement isolante. 5 Dispositif porte-outil chauffant suivant l'une quelconque des revendications prédédentes, carac- térisé en ce que l'épaisseur de la bague ( 4) en matériau ferromagnétique est telle que tous les courants induits par la bobine ( 5) lorsque celleci est raccordée à la source d'alimentation en courant alternatif de fréquence appropriée sont concentrés uniquement dans la bague ( 1). 6 Dispositif porte-outil chauffant suivant l'une quelconque des revendications précédentes, carac- térisé en ce que la bague (+) entourant le noyau porte- outil sur au moins une partie ( 3) de sa longueur est réalisée en acier-au carbone. 7 Dispositif porte-outil chauffant suivant l'une quelconque des revendications précédentes, carac- térisé en ce que le noyau porte-outil ( 1) est réalisé en cuivre. 8 Dispositif porte-outil chauffant suivant l'une quelconque des revendications précédentes, carac- térisé en ce que le noyau porte-outil ( 1) se prolonge au-delà de la bague ( 4) qui l'entoure en formant à pet endroit la partie opérante de l'outil. 9 Dispositif porte-outil chauffant suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la partie ( 2) du noyau porte-outil qui se pro- longe au-delà de la bague (ô) qui l'entoure comporte des dispositifs permettant la fixation d'un outil. Dispositif porte-outil chauffant suivant la revendication 9, caractérisé en ce que les dits dis- positifs permettant la fixation d'un outil consistent en une rainure longitudinale ( 11) réalisée dans le noyau porte-outil ( 1) permettant la fixation de l'outil dans cette rainure ( 11) et en trous ( 12) taraudés dans le noyau porte-outil ( 1) permettant l'immobilisation de 2503974 l'outil par vis. 11 Dispositif porte-outil chauffant suivant l'une quelconque des revendications précédentes, carac- térisé en ce que le manche ( 9) du dispositif porte-outil chauffant est réalisé en une matière électriquement iso- lante. 12 Dispositif porteoutil chauffant suivant l'une quelconque des revendications précédentes, carac- térisé en ce que les divers éléments du dispositif porte- outil chauffant sontscellés en leurs places respectives a l'intérieur du manche ( 9) à l'aide d'une matière ré- fractaire ( 10) électriquement et thermiquement isolante.