Brevet FR2543234A1 — publié le 19840928

Dans des supports de broches de machines-outils, on utilise en pratique des paliers du type anti-frottement tels que des roulements à rouleaux et à billes, pour suppor- ter une broche porte-outil dans son bâti Certains supports exigent une précision et une rigidité extrêmes que l'on ne trouve pas dans les paliers du type à rouleaux qui peuvent introduire des irrégularités périodiques dans un support. En particulier dans les machines à rectifier, il est apparu que le système hydrostatique de paliers (c'est-à-dire le système dans lequel des poches d'huile sous haute pression sont formées en divers points de la périphérie d'un palier de broche) est utilisé pour apporter une grande rigidité et assurer un bon centrage Le système hydrostatique de paliers tend à revenir de lui-même dans la position centrée lorsque la broche est déviée Cependant, plusieurs incon- vénients sont propres au système hydrostatique de paliers, à savoir la -nécessité de respecter des tolérances extrême- ment étroites sur les portées de fuite des paliers pour permettre l'échappes-lent du fluide et, par conséquent, une )O fuite de pression due à l'écoulement de fuite Ensuite, des pressions extrêmement élevées, c'est-à-dire de l'ordre de 3500 k Pa ou plus, doivent être fournies aux poches hydrostatiques par un dispositif de pompage. On a essayé d'utiliser, dans les systèmes de supports de broche, un autre type hydraulique de paliers de tourillon le palier hydrodynamique Dans le palier hydrodynamique, plusieurs patins ou semelles inclinables sont disposés sur la périphérie d'une portée de broche, et on permet à de l'huile à basse pression de noyer-les paliers à semelles et la portée de la broche Lorsque cette dernière est mise en rotation à sa vitesse de tra- vail 1000 tr/min ou plus>, elle exerce une traînée de frotte- ment sur le bain de liquide et entraîne un coin d'huile dans l'espace compris entre la broche et le patin incli- nable du palier L'avantage du palier hydrodynamique est que la broche en rotation peut conférer une rigidité extrêmement élevée à un système de paliers, mais la rigidité aux vitesses de démarrage et aux vitesses de ralentissement est extrêmement faible, car la pression est faible dans la zone de l'espace ou du jeu du palier Par conséquent, lors des phases de démarrage et de ralentissement, la broche frotte en fait sur la semelle inférieure d'un sup- port à plusieurs semelles Avec le temps, une usure peut apparaître à la fois sur les semelles et sur les portées de la broche, ce qui affecte notablement la tenue et la durée de vie des paliers de la broche. La durée de vie des paliers de la broche dépend donc directement du nombre de d&arrages et d'arrêts d'un ensemble broche-paliers Il est évident que le démarrage de la broche se produit au moins une fois par jour, lors de la mise en marche d'une machine par une équipe de tra- vail, et, lorsque des changements de meule sont nécessaires, la broche doit être également arrêtée. On a éliminé les difficultés propres aux systèmes de paliers hydrodynamiques de l'art antérieur par un nou- veau système de paliers qui utilise un palier hydrostati- que intégré au système hydrodynamique et ce palier hydro- statique est isolé automatiquement lorsque le palier hydro- dynamique arrive à la vitesse de travail. L'invention concerne donc un système de paliers pour machine-outil, dans lequel un bâti présente un alésage de broche logeant un jeu de paliers du type à semelle oscillante Une broche porte-outil (par exemple une broche destinée à porter une meule de rectification) est montée de façon à pouvoir tourillonner dans le jeu de paliers et un fluide hydraulique, soumis à une première pression de travail, est fourni aux surfaces d'appui de la broche Une pression hydrostatique est établie sur la plus basse des semelles de maintien, et un fluides soumis à une seconde pression de travail, supérieure à la précédentes, est four- ni à la zone de pression hydrostatique Une valve de commande de fluide telle qu'un clapet de retenue à billes, est montée dans 1 'orifice alimentant la zone à pression hydro- statique en fluide sous haute pression En fonctionnement, la broche est mise en rotation et supportée par la zone à __ _ __ __ pression hydrostatique jusqu'à ce qu'elle atteigne une vitesse de travail, ce qui engendre une troisième pression de travail, encore plus élevée (cette pression étant d'origine hydrodynamique) dans le jeu de paliers La troi- sième pression de travail agit sur la valve de commande de fluide afin de la fermer et de mettre ainsi hors d'ac- tion la zone à pression hydrostatique. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels la figure 1 est une élévation, avec coupe par- tielle, du bâti de support d'une broche de meule de rec- tification d'une machine à rectifier sans centres; la figure 2 est une coupe de-la broche porte- meule suivant la ligne 2-2 de la figure 1; la figure 3 est une vue en perspective de la semelle inférieure de support du jeu de paliers de broche de la figure 1; et la figure 4 est un schéma du circuit hydraulique du système de paliers de support de broche de la figure La figure 1 est une élévation avec coupe par- tielle d'une tête porte-meule 10 d'une machine à rectifier dans laquelle un ensemble 11 à meule de rectification comprend une meule 12 de rectification, une pince 13 et une bride 14 fixées par des vis 15 sur une surface 16 de montage d'une broche 17 de meule de rectification La broche porte-meule 17 est supportée de façon à pouvoir tourillonner dans deux jeux identiques 18 de paliers de broche du type à semelles, qui sont montés dans des alé- sages avant et arrière 19 et 20 d'un bâti 21 de la tête porte-meule La broche 17 comporte, en son milieu, entre les jeux de paliers 18, une butée axiale 22 qui empêche tout mouvement axial de la broche 17 enhcours de fonction- nement Plusieurs joints 23 sont montés dans les alésages 19 et 20 des paliers de la tête porte-meule afin de rete- nir une certaine quantité d'huile hydraulique sous basse pression vers les jeux de paliers 18 et d'empêcher l'entrée a de saletés dans le système L'extrémité arrière de la broche 17 porte une poulie 24 d'entraînement qui est en- traînée, au moyen d'une courroie, par un moteur de com- mande (non représenté). La tension de la courroie est dirigée sensible- ment vers le bas en raison de la position du moteur au bas de la machine (non représenté) Comme peut l'apprécier le spécialiste, étant donné qu'un système d'entraînement à courroie ne transmet pas un couple pur à l'élément mené, des charges, dues à une tension importante de la courroie, peuvent exister dans un système à grande puissance, ces charges étant, par exemple, de l'ordre de 270 da N ou plus. L'ensemble 11 à meule-de rectification d'une grosse machine à rectifier, par exemple, une machine à rectifier sans centres, peut également peser 230 kg ou plus On peut donc voir que des efforts très grands sont imposés à la semelle inférieure du jeu de paliers 18 par les effets combinés du poids de la broche, du poids de l'ensemble à meule de rectification et des charges de tension de la courroie - Si l'on considère la figure 2 avec la figure 1, on peut voir que le jeu de paliers 18 utilisé dans le système selon l'invention est un palier hydrodynamique à semelles multiples et patins inclinables, de type sensi- blement classique, dans lequel une cavité 25 est remplie d'huile hydraulique à basse pression avant la mise en marche de la broche 17 et, lorsque cette broche 17 tourne, elle prélève une pellicule d'huile et l'entraîne au-dessous du bord avant 26 d'un patin ou d'une semelle 27, faisant apparaitre une pression hydrodynamique élevée entre les surfaces de la semelle et de la broche, de sorte que la broche 17 se déplace sur une pellicule d'huile La semelle 27 peut osciller sur un axe de pivotement afin de trouver une position d'équilibre autour de la broche 17 lorsque la pression hydrodynamique est exercée. On peut voir que la semelle inférieure 28 d'un jeu de paliers 18 peut subir un contact de frottement avec la broche 17 et donc une usure lorsque la broche 17 est mise en marche, avant que la pellicule d'huile à haute pression soit formée La condition de mise en marche apparait généralement au moins une fois par jour,-lors de la mise en marche d'une machine mais, en fait, elle peut se produire plusieurs fois si la machine est arrêtée régulièrement Par exemple, lorsqu'une meule est écaillée ou détériorée et qu'elle doit être remplacée par diverses phases de travail, la broche doit être arrêtée De façon similaire, dans certains pays (en particulier en Europe), lorsqu'un blocage de pièces se produit dans des machines à chargement automatique, la meule de rectification est arrêtée pendant que la machine est éloignée d'une pièce bloquée Cette fréquence des-arrêts peut atteindre dix fois ou plus par jour. On peut voir sur la figure 2 que la semelle gauche 27 peut osciller sur un axe fixe 29 de pivotement et que les semelles droite et supérieure 27 peuvent également pivoter sur un goujon fixe 30 faisant partie d'un obturateur 31 de la tête porte-meule L'obturateur 31 est fixé par des vis 32 dans un alésage radial 33 du bâti 21 de-la tdte porte-meule et il présente un trou central taraudé 34 par lequel des vérifications de pres- sion peuvent être effectuées par l'introduction d'un mano- mètre à visser (non représenté) Lorsque le manomètre n'est pas utilisé, le trou taraudé 34 est bouché La semelle inférieure 28 du jeu 18 de paliers peut pivoter sur un axe spécial 35 de pivotement qui est emmanché à force dans un alésage radial du bâti 21 de la tête porte- meule L'axe 35 de pivotement présente un grand diamètre pilote 36 qui est logé dans un alésage de la semelle 28. Le diamètre inférieur et plus petit 37 de l'axe 35 est emmanché dans l'alésage du bâti Un trou central 38 tra- verse sur sa longueur l'axe 35 de pivotement, et un trou 39 de faible diamètre part de l'alésage pilote à travers la semelle 28 Un joint torique 40 est monté autour du diamètre pilote 36 afin d'assurer l'étanchéité au fluide sous pression qui est appliqué en passant par le trou cen- tral 38 et la semelle 28 L'extrémité inférieure de l'axe de pivotement est en communication fluide avec un trou 41 percé à travers le bâti 21 de la tête porte-mèule, parallèlement à la broche 17. La figure 1 montre que le trou 41, percé trans- versalement, est bouché à la surface extérieure 42 du bâti et est taraudé à une surface intérieure 43 du bâti 21 de la tête porte-meule afin de recevoir une conduite hydrau- lique 44 Une seconde conduite hydraulique 45 est reliée au jeu 18 de paliers arrière de la broche, d'une manière similaire L'axe 35 de pivotement est placé dans une posi- tion axiale située au milieu de la longueur de la semelle 28 L'axe percé 35 de pivotement et la conduite hydrauli- que 44 ont pour but de fournir une pression hydraulique, immédiatement avant le démarrage de la broche, à une zone dégagée 46 de la semelle inférieure 28 (voir figure 3). La zone dégagée 46 de la semelle 28 présente une profon- deur de l'ordre de plusieurs centièmes de millimètres et une largeur axiale et une longueur circonférentielle suffisantes pour établir une aire de poussée hydrostati- que qui doit être multipliée par la pression hydraulique fournie à travers l'axe 35 de pivotement La pression hydraulique utilisée provient d'une source de pression telle qu'une pompe de la machine, ayant un faible débit mais une haute pression, et la pression est appliquée à travers un bloc valve 47 qui alimente deux clapets 48 de retenue à billes Les clapets 48 de retenue sont d'un type classique dans lequel l'écoulement provenant de la source de pression agit sur une bille 49 et comprime un ressort 50 pour permettre le passage du fluide vers les jeux 18 de paliers par l'intermédiaire des conduites hydrauliques 44 et 45 La pression hydrostatique utilisée est suffisante pour soulager presque la totalité de la charge de la broche au moment du démarrage La pression hydrostatique ne dégage pas totalement, en la soulevant, la broche 17 de la surface de la semelle inférieure, mais on admet qu'il peut être souhaitable, dans certaines dis- positionsde soulever entièrement la broche 17 La pres- sion hydrostatique est légèrement inférieure à la pression hydrodynamique maximale qui est engendrée à l'interface semelle-broche Ainsi, lorsque la broche 17 atteint sa vitesse maximale de rotation et, par conséquent, une pression hydrodynamique maximale, la pression développée tend à vaincre la pression d'alimentation des poches hydrostatiques et, associée à la force du ressort, elle ramène la bille 49 de chaque clapet 48 de retenue en position de fermeture, coupant ainsi l'application de la pression hydrostatique. La figure 4 est un schéma d'un circuit hydrau- lique du système de paliers La broche porte-meule 17 est supportée par deux jeux de paliers 18, et la semelle inférieure 28 de chaque jeu forme une poche hydrostati- que ou zone dégagée 46 usinée dans cette semelle La pompe hydraulique 51 fait circuler de l'huile sous pres- sion hydrostatique d'un réservoir 52 vers les clapets de retenue à billes 48 pour appliquer une force de soulève- ment ou de soulagement de charge à la broche 17 La pompe 51 établit également une basse pression dans une conduite hydraulique 53 pour remplir d'huile la zone globale du jeu 18 de paliers, entre les joints (non représentés), voir figure 1 La broche 17-n'est pas autorisée à se mettre en rotation avant qu'une quantité d'huile hydrau- lique suffisante soit présente dans la zone des paliers, la présence de cette huile étant détectée par deux com- mutateurs 54, 55 sensibles à la pression Après que les commutateurs 54, 55 ont été actionnés, le moteur d'entraî- nement de la broche (non représenté) peut commencer à tourner La pression hydraulique est également appliquée par une conduite 56 au carter de butée axiale 22 de la broche Plusieurs conduites d'écoulement sont raccordées les unes aux autres par une ligne commune 57 afin de per- mettre à l'huile de s'écouler des jeux 18 de paliers de la broche et de la butée axiale 22 Ainsi, les avantages d'un palier hydrodynamique de broche à patins inclinables, à haute performance, sont conservés, tandis que le problème posé par le démarrage et l'usure qui en résulte est éli- miné par l'utilisation d'un palier hydrostatique dans la semelle inférieure 28 La pression hydrostatique d'alimen- tation est coupée automatiquement par la broche 17 11 rs- qu'elle arrive à ou approche de sa vitesse maximale de rotation De façon similaire, au-moment de l'arrêt, la pression hydrostatique entre de nouveau en jeu pour sou- lager d'une grande partie de sa charge la broche 17 pen- dant la période de ralentissement. L'exemple suivant illustre des paramètres typi- ques d'une machine d'essai et les résultats d'usure: Masse de la broche: 131 kg Masse (maxirtmale)de l'ensemble de montage de la meule: 210 kg Tension de la courroie: 110 da N Charges calculées de réaction o (a) semelle avant (support proche de la meule): 81,5 da N (b) semelle arrière 203 da N Pression hydrostatique: 1750-2100 k Pa Dégagement hydrostatique: (a) semelle inférieure avant mm de largeur; surface de 2,4 cm 2; profondeur de 0,05 mm; (b) semelle inférieure arrière mm de largeur; surface de 9,29 cm 2; profondeur de 0,05 mm Force hydrostatique ( par chaîne est généralement utilisée entre les paliers. En outre, le système de paliers peut être étendu aux côtés- opposés d'une meule afin que cette dernière soit suppor- tée plus rigidement que dans un système du type à porte-à- faux. -Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au système de paliers décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REVEND ICAT IONS 1 Système de paliers pour machine-outil, carac- térisé en ce qu'il comporte un bâti ( 21) présentant au moins un alésage destiné à une broche, un jeu ( 18) de paliers comportant au moins deux semelles oscillantes ( 27, 28) qui présentent une surface incurvée d'appui d'une broche, une broche ( 17) montée de façon à pouvoir tourillonner sur le jeu de paliers, un fluide alimentant les surfaces d'appui de la broche, sous une première pression de tra- vail, une zone ( 46) de pression hydrostatique définie sur l'une des semelles oscillantes, et un fluide alimentant ladite zone de pression hydrostatique, sous une seconde pression de travail. 2 Système de paliers selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une valve ( 47) de commande de fluide fournissant ledit fluide à la seconde pression de travail et tendant à être ramenée vers une position ouverte d'écoulement par la seconde pression de travail et vers une position fermée, empêchant tout écou- lement, par une troisième pression de travail &*origine hydrodynamique, engendrée par la rotation de la broche. 3 Système de paliers pour machine-outil, carac- térisé en ce qu'il comporte un bâti ( 21) présentant au moins un alésage destiné à une broche, une paire de jeux de paliers ( 18) comportant chacun au moins deux semelles oscillantes ( 27, 28) qui présentent chacune une surface incurvée d'appui de la broche, une broche porte-outil ( 17) montée de façon à pouvoir tourillonner sur les jeux de paliers, un fluide hydraulique fourni,sous une première pression de travail, relativement basse, auxdites sur- faces d'appui de la broche, une zone ( 46) de pression hydrostatique définie sur la plus basse ( 28) des semelles oscillantes des jeux de paliers, et un fluide hydraulique fourni, sous une pression de travail relativement élevée, à ladite zone de pression hydrostatique. 4 Système de paliers selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une valve ( 47) de retenue de fluide fournissant le fluide hydraulique à ladite seconde pression de travail# relativement élevée, -lorsqu'elle est rappelée vers une position ouverte d'écou- lement par cette seconde pression de travail relativement élevée, la valve pouvant être amenée dans une position de fermeture à tout écoulement par une troisième pression de travail, relativement supérieure à la seconde pression de travail, cette troisième pression étant d'origine hydro- dynamique et engendrée -par une rotation de la broche.