Brevet FR2526078A1 — publié le 19831104

Â - "Dispositif de forage rotatif à percussion" L'invention concerne un dispositif de forage rotatif à percussion et, plus particulièrement, u-n dispo- -sitif utilisant un corps de forage à-centfre creux pour travaux durs. les dispositifs de forage à coeur creux sont bien connus et sont utilisée, le plus souvent, sur les mia- chines de forage manuelles du type marteau-piqueur rotatif, pour percer,, par exemple, des trous dans la maçonnerie. Classiquement, les dispositifs de forage à coeur creux sont généralement constitués d'un ensemble d'au moins trois, et le plus souven-t quatre, éléments Il à savoir: un adap- tateur conique, un corps de forage à centre creux en forme de coupelle se fixant par engagement contre les surfaces coniques complémentaires de l'adaptateur et -un foret rota- tif de guidage à nervure hélicoldale monté dans l'adapta- teur de manière à se placer concentriquement à l'intérieur du corps de forage à centre creux pour assurer le centrage ou le perçage initial cuvrant le chemin à une zone de cou- pe de plus grand diamètre effectuée par les pièces coupan- tes disposées autour de l'embouchure du corps de forage creux Le quatrième élément, dont l'utilisation s'avère classiquement nécessaire en pratique, est constitué par un adaptateur de tige s'adaptant sur l'adaptateur conique pour équiper le dispositif d'urne queue utilisable dans la machine de forage. 2,- Les dispositifs de forage à coeur creux de ce type sont très intéressants car ils peuvent être utili- sés pour percer des trous de différents diamètres en rem- plaçant simplement un corps de forage creux par un autre de diamètre approprié Cependant, les différents éléments proposés jusqu'ici pour constituer le dispositif de forage, et la nature de leur assemblage, se sont avérés peu prati- ques car ils nécessitent, non seulement l'utilisation de corps de forage creux de différentes tailles, maie égale- ment l'utilisation de forets de guidage et d'adaptateurs de différentes tailles qu'il faut choisir et assembler chaque fois pour obtenir la structure de forage requise. De plus, les vitesses de forage obtenues en pratique avec les dispositifs de forage creux selon l'art antérieur, et les durées de vie relativement courtes des forets et des pièces de coupe du corps,de forage creux, laissent beau- coup à désirer* Il existe donc un grand besoin de créer un dispositif de forage à corps creux pour travaux durs qui soit facile à fabriquer et à monter, tout en permettant des vitesses de forage relativement élevées et en amélio- rant la durée de vie des pièces de coupe. L'invention a pour but de créer un disposi- tif de forage rotatif à percussion permettant de répondre à ce besoin. A cet effet, l'invention concerne un dispo- sitif caractérisé en ce qutil comprend une tige de foret longitudinale et un corps de forage à centre creux monté sur la tige de foret, cette dernière passant longitudinale- ment dans le corps creux; la tige de foret comportant une pièce de coupe à une extrémité, une partie de queue à l'au- tre extrémité permettant de monter le dispositif dans une machine de forage à rotation/percussion, et une partie longitudinale à surface extérieure conique convergeant vers la pièce de coupe; le corps de forage à centre creux com - 3.- prenant une base munie d'une ouverture à surface intérieu- re conique destinée à recevoir la partie extérieure coni- que correspondante de la tige de foret pour former un em- boitement à frottement entre la tige de foret et le corps de forage, une jupe partant longitudinalèment de la partie de base vers la pièce de coupe de la tige de foret pour former une embouchure dans laquelle passe cette tige de foret, et un réseau de pièces de coupe régulièrement dis- posées sur le pourtour de l'embouchure; la tige de foret étant percée d'un conduit intérieur assurant la communica- tion entre un orifice d'entrée situé dans la partie de queue et un orifice de sortie se situant longitudinalement entre la pièce de coupe de la tige de foret et la zone d'em- bottement des parties coniques intérieure et extérieure, ce conduit intérieur permettant le passage d'un fluide sous pression destiné à jaillir dans la zone de coupe du dis- positif. L'invention concerne également la combinai- son du dispositif de forage ci-dessus avec une machine de forage à rotation/percussion comprenant un mandrin creux destiné à recevoir la partie de queue du dispositif de fo- rage et dont l'ouverture d'entrée communique avec une con- duite de fluide de la machine dans laquelle est envoyé un fluide sous pression destiné à jaillir. Le dispositif de forage selon l'invention est constitué de deux éléments: la tige de foret et le corps de forage à centre creux monté de manière amovible sur la tige de foret par embo tement à frottement ou par coincement entre les parties coniques complémentaires in- térieure et extérieure des deux éléments, ce qui permet ainsi de remplacer, de manière classique, un corps de fo- rage par un autre pour percer des trous de différents dia- mètres Chacun des deux éléments nécessaires peut être fabriqué facilement suivant des techniques classiques. Cependant, la caractéristique la plus impor- 4.- tante, du point de vue pratique et commercial, est peut être le fait de prévoir dans la tige de foret, le passage intérieur permettant au fluide sous pression, généralement constitué par de l'air comprimé, de jaillir dans la zone de coupe pour en évacuer les détritus Il a été constaté que cette technique permet, non seulement d'augmenter considérablement la vitesse de forage, mais encore, d'amé- liorer notablement la durée de vie des pièces de coupe. Généralement, les machines de forage à rota- tion/percussion sont pneumatiques, et le fluide de Jaillis- sement peut convenablement être obtenu à partir de la sour- ce d'air comprimé alimentant la machine Pour cela, l'ori- fice d'entrée est, de préférence, situé dans la face d'ex- trémité de la queue de tige de foret, de manière à commu- niquer directement avec la conduite d'air comprimé de la machine de forage lorsque la queue de foret est logée dans le mandrin de cette machine. Si cela est nécessaire, il est possible de prévoir deux ou plusieurs orifices de sortie du conduit intérieur De préférence, l'orifice ou les orifices de sor- tie sont placés à l'endroit ou au voisinage de la partie de coupe de la tige de foret, de façon que le fluide sous pression jaillisse directement dans la zone de coupe Comp- te tenu de ce que la partie de coupe de la tige de foret peut souvent entra ner les pièces de coupe du corps de fo- rage creux à une profondeur longitudinale considérable, le mouvement de retour en arrière du fluide jaillissant par un orifice de sortie situé au voisinage de la partie de coupe de la tige de foret, fournit généralement un débit de jaillissement suffisant pour que les pièces de coupe du corps de forage conservent leur efficacité Cependant, si cela est nécessaire, un orifice de sortie spécial peut être prévu pour provoquer un jet d'évacuation des détritus des pièces de coupe du corps de forage. les parties coniques internes et externes 5.- respectives du corps de forage et de la tige de foret sont généralement de forme tronconique La longueur longi- tudinale du tronc de cône extérieur est, de préférence, supérieure à celle du tronc de c 8 ne intérieur, de manière à compenser l'usure entre les surfaces opposées par un dé- placement longitudinal du tronc de cône intérieur sur le tronc de cène extérieur La tige de foret doit générale- ment comporter, dans sa zone de tronc de cône extérieur, des moyens d'adaptation d'un extracteur permettant de dé- botter par choc le corps de forage. Les parties de coupe de la tige de foret et du corps de forage sont, de préférence, constituées par des pièces de matériau très dur, tel que du carbure de tungstène, convenablement insérées dans les éléments correspondants pour permettre un forage par rotation/percussion classique. La pièce de matériau dur insérée dans la tige de foret constitue, de préférence, une partie de coupe de type à ciseau, mais il est également possible d'utiliser d'autres formes de parties de coupe (du type à croix, par exemple), chacune de ces pièces de coupe pouvant être uti- lisée indépendamment du corps de forage creux, c'est-à-dire sans que ce dernier soit monté pour constituer le disposi- tif complet, de manière à percer un avant-trou dans la ma- çonnerie Cela permet, lorsque le corps de forage est en- suite monté, d'obtenir des éclats de pierre ou de brique relativement petits dans le diamètre du trou défini par les pièces de coupe du corps de forage, ces petits éclats étant rapidement évacués par le jet de fluide sous pres- sion. Si cela est nécessaire, le corps de forage à centre creux peut être muni d'orifices ou de fentes de sortie de jets d'évacuation percés dans sa base ou dans la jupe pour évacuer les détritus de la zone de coupe et de l'enceinte de la jupe, sous l'action du fluide sous pression. 6.- La queue de la tige de foret doit être de forme et de taille appropriées pour pouvoir être logée clas- siquement dans les mandrins des machines de forage, de fa- çon que l'ensemble de forage puisse effectuer un mouvement longitudinal limité par rapport au mandrin, pour produire l'effet de forage à percussion tout en tournant en régime continu ou intermittent. L'invention sera décrite en détail au moyen de la figure unique jointe représentant une vue en éléva- tion d'un exemple de dispositif de forage selon l'inven- tion, le corps de forage à centre creux étant représenté en coupe longitudinale. Le dispositif de forage rotatif à percussion est constitué d'une tige de foret longitudinale 1 et d'un corps de forage à coeur creux 2, Une certaine longueur d'ex- trémité de la tige de foret constitue une queue cylindri- que la, tandis que l'autre extrémité lb de cette tige est équipée d'une pièce de coupe de type à ciseau 3 Cette pointe de coupe à ciseau est réalisée en utilisant une pe- tite pièce de ciseau en carbure de tungstène 4 insérée et fixée par brasure dans une fente correspondante de la face d'extrémité 3 a de la tige de foret la partie de longueur lb de la tige de foret se situant au voisinage du ciseau 3, est cylindrique et comporte des chanfreins diamétralement opposés 5 formant des zones de transition entre la partie cylindrique et la face d'extrémité 3 a La partie médiane 6 de la tige de foret, comprise entre la queue la et la par- tie cylindrique lb voisine du ciseau de coupe, présente une section hexagonale (bien que d'autres sections soient également possibles suivant les besoins), cette partie mé- diane 6 constituant en fait la plus grande longueur de la tige de foret. Un passage de fluide sous pression est percé concentriquement dans le sens longitudinal de la tige de foret Ce passage 7 assure la communication entre un orifice 7.- d'entrée 8 de la face d'extrémité 9 de la queue de tige de foret et un orifice de sortie 10 percé dans la surface chanfreinée 5 voisine du ciseau de coupe 3 Pour faciliter la fabrication et pour diriger le jet de fluide vers l'a- vant dans le sens du forage, le passage intérieur compor- te un passage de dérivation coudé 11 par lequel l'orifice de sortie 10 communique avec un trou concentrique formant la majeure partie du passage intérieur. Une surface extérieure tronconique 17 conver- geant vers le ciseau de coupe 3 est prévue sur la tige de foret 1 dans une position se situant longitudinalement en- tre la partie médiane 6 et la partie cylindrique lb située au voisinage de l'extrémité porte-ciseau. Le corps de forage 2 comporte une base 12 d'o part une jupe de forme générale cylindrique 13 Dans la base 12 est percée une ouverture 13 dont la partie inté- rieure tronconique est complémentaire du tronc de cône 17 et concentrique avec la jupe 13 le corps de forage 2 vient se loger sur la tige de foret 1, les cônes 17 et 13 s'adap- tant l'un à l'autre de façon que les deux éléments se blo- quent en contact de frottement, la jupe 13 se dirigeant lon- gitudinalement vers l'extrémité porte-ciseau de la tige de foret. La tige de foret passe longitudinalement et concentriquement dans la partie ouverte 14 de la jupe, avec un certain jeu prévu entre les deux éléments Dans l'extré- mité libre de la jupe constituant une lèvre de la partie d'embouchure ouverte 14, viennent se loger un réseau de ci- seaux de coupe en carbure de tungstène 15 régulièrement ré- partis sur le pourtour de l'embouchure 14 et constituant les éléments de coupe du corps de forage 2 les ciseaux de coupe 15 sont convenablement fixés par brasure dans des fentes de la partie de jupe 13, et sont décalés pour former un jeu de coupe pour le diamètre extérieur de la jupe 13 (et également pour la dimension latérale maximum de la tige 8.- de foret sur toute sa longueur comprise entre la jupe 13 et la face d'extrémité 9. En cours d'utilisation, le dispositif de fo- rage est monté dans une machine de forage à rotation/per- cussion pouvant être du type marteau-piqueur pneumatique. Pour cela, la queue la est munie d'un réseau de cavités longitudinales 16 réparties circulairement et formant des chemins de glissement permettant de monter le mandrin de fixation de la machine devant recevoir la queue de la tige de foret et de faire communiquer l'orifice d'entrée 8 avec la conduite d'air comprimé de la machine - La face d'extrémité 9 reçoit les chocs répé- tés d'un marteau de va-et-vient de la machine, tandis que l'accouplement avec les chemins de glissement 16 permet de limiter le déplacement longitudinal du dispositif et d'ob- tenir le mouvement de rotation permanent ou intermittent de ce dispositif Lorsque le dispositif est ainsi monté, l'ex- trémité de ciseau de coupe 3 effectue un forage en rotationj percussion classique pour percer dans la maçonnerie un avant-trou destiné à guider le forage en rotation/percussion effectué ensuite par les ciseaux de coupe 15 du corps de forage 2. L'évacuation des détritus formés pendant ce forage est facilitée par l'effet de Jet produit par l'air comprimé sortant de l'orifice de sortie 10 Les détritus sont entraînés par le courant d'air formé autour de la Ju- pe 13 et l'évacuation permanente de ces détritus réduit l'usure inutile provoquée, en particulier, sur les pièces de coupe du dispositif Ces effets favorables, dûs à l'ap- plication du jet d'air sous pression, sont particulièrement nets à l'endroit oh l'orifice de sortie 10 arrive au voi- sinage du ciseau de coupe 3 pour projeter l'air sur la zone de coupe de celui-ci. Si cela est nécessaire, la surface cylindri- que extérieure de la jgpe 13 peut être munie d'une nervure 9._ ou bordure hélicoïdale comme les corps de forage creux classiques, pour permettre l'évacuation des détritus le long de la partie extérieure de la jupe pendant la rota- tion du dispositif de forage. Le corps de forage 2 peut être démonté faci- lement pour l'entretenir ou le remplacer éventuellement par un autre corps de forage de diamètre différent, en uti- lisant un extracteur convenablement conçu permettant de débotter par choc le corps 2 en libérant l'engagement à frottement des surfaces tronconiques De préférence, la longueur longitudinale de la surface tronconique 17 est supérieure à celle de la surface tronconique 13, comme illustré par la figure, de manière à compenser toute usure entre ces surfaces par un déplacement longitudinal de la partie tronconique 17 s'enfonçant plus loin dans l'ouvertu- re tronconique 13. 10.- REVENDICATIONS R E V E N D I C A X I O N S 1. Dispositif de forage rotatif à percussion, dispositif caractérisé en ce qu'il comprend une tige ( 1) de foret longitudinale et un corps ( 2) de forage à centre creux monté sur la tige ( 1) de foret, cette dernière passant longitudinalement dans le corps creux ( 2); la tige ( 1) de foret comportant une pièce ( 3) de coupe à "ue extré- mité, une partie de queue (la) à l'autre extrémité permet- tant de monter le dispositif dans une machine de forage à rotation/percussion, et une partie longitudinale à surface extérieure conique ( 17) convergeant vers la pièce de coupe; le corps ( 2) de forage à centre creux comprenant une base munie d'une ouverture à surface intérieure conique ( 13) destinée à recevoir la partie extérieure conique ( 17) cor- respondante de la tige ( 1) de foret pour former un embol- tement à frottement entre la tige ( 1) de foret et le corps ( 2) de forage, une jupe ( 13) partant longitudinalement de la partie de base vers la pièce de coupe de la tige de fo- ret pour former une embouchure dans laquelle passe cette tige de foret, et un réseau ( 15) de pièces de coupe régu- lièrement disposées sur le pourtour de l'embouchure; la tige ( 1) de foret étant percée d'un conduit ( 7) intérieur assurant la communication entre un orifice ( 8) d'entrée situé dans la partie de queue et un orifice ( 10) de sortie se situant longitudinalement entre la pièce de coupe de la tige de foret et la zone d'emboîtement des parties co- niques intérieure et extérieure, ce conduit intérieur per- mettant le passage d'un fluide sous pression destiné à jaillir dans la zone de coupe du dispositif. 2 Dispositif selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que l'orifice ( 8) d'entrée est situé dans la face d'extrémité de la tige ( 1) de foret. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux orifices ( 10) de sortie. 1 il - 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le ou les ori- fices ( 10) de sortie sont placés à l'endroit ou au voisi- nage de la pièce ( 3) de coupe de la tige ( 1) de foret pour diriger essentiellement un Jet de fluide sous pression dans la zone de coupe de la tige de foret. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le ou l'un des orifices ( 10) de sortie est placé de manière à diriger un Jet de fluide sous pression essentiellement dans la zone de coupe des pièces de coupe ( 5) du corps ( 2) de fo- rage. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la partie ( 17) conique extérieure et l'ouverture ( 13) conique intérieure sont de forme tronconique. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la longueur longitudinale de la partie ( 17) de tronc de c 8 ne extérieu- re est supérieure à celle de l'ouverture ( 13) de troncde c 8 ne intérieur, de manière à rattraper l'usure entre les surfaces d'emboîtement à frottement, par déplacement lon- gitudinal du corps ( 2) de forage sur la partie ( 17) de tronc de cône extérieur. 8 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les pièces de coupe ( 15) du corps ( 2) de forage sont constituées par des ciseaux de matériau très dur insérés dans ce corps ( 2) de forage. 9 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la pièce ( 3) de coupe de la tige ( 1) de foret est équipée d'au moins un ciseau de matériau très dur inséré dans celle-ci. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la tige ( 1) de 12.- foret est munie d'une pièce ( 3) de coupe de type à ciseau ou à croix de coupe. 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le corps ( 2) de forage à centre creux est muni d'ouvertures de jaillis- sement par lesquelles les détritus sont évacués de la zone de coupe et de l'enceinte de la Jupe ( 13) sous l'action d'un jet de fluide sous pression. 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que les ouvertures de jaillissement sont constituées par des ouvertures ou des fentes percées dans la base ou dans la Jupe ( 13) du corps de forage. 13. Combinaison d'un dispositif de forage rotatif à percussion selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 12, avec une machine de forage à rotation/percus- sion comportant un mandrin creux destiné à recevoir la par- tie de queue du dispositif de forage, combinaison caracté- risée en ce que l'orifice d'entrée ( 8) du dispositif com- munique avec une conduite de fluide sous pression de la machine, de manière à produire le Jet de fluide sous pres- sion.