Brevet FR2560817A1 — publié le 19850913

! Machine à vis de traitement de matière L'invention a pour objet une machine à vis de traitement de matière comprenant au moins une vis entrainée en rotation à l'intérieur d'un fourreau. L'invention s'applique spécialement aux extrudeuses à une ou plusieurs vis et, plus généralement, aux machines dans lesquelles on pro- duit des effets de mélange, de malaxage, de trituration et de mise en pres- sion par passage dans le fourreau d'une matière entrainée par la rotation des vis. Une machine à vis telle qu'une extrudeuse utilisée pour la fabri- cation des matières plastiques comprend un fourreau allongé enveloppant une ou plusieurs vis. Si la machine comprend une seule vis, celle-ci est placée dans un alésage cylindrique du fourreau. Dans le cas de machine à deux vis, le fourreau est muni de deux alésages cylindriques à axes parallèles dont l'entraxe est inférieur au diamètre des alésages de façon à former deux lobes sécants dans lesquels sont placées les deux vis, celles-ci engrenant l'une dans l'autre. Si les vis sont entrainées dans le même sens, elles sont identiques, en revanche elles sont symétriques si elles sont entrai- nées en sens contraire. A cet effet, les vis sont entrainées par un méca- nisme placé à une extrémité du fourreau. Comme il peut être intéressant de faire varier les filetages des vis, celles-ci sont parfois constituées d'éléments filetés en forme de man- chons creux enfilés sur un arbre central d'entrainement de façon à former un empilage jointif solidaire de l'arbre en rotation grâce, par exemple, à des cannelures ménagées en saillie sur l'arbre et s'engageant dans des rai- nures correspondantes ménagées sur la paroi interne des manchons. Ceux-ci sont empilés et calés entre deux butées placées aux deux extrémités de l'ar- bre, généralement une butée fixe placée à une extrémité et un écrou de ser- rage vissé sur un filetage ménagé à l'autre extrémité de l'arbre. Grâce à cette disposition, il est possible de changer facilement un ou plusieurs éléments filetés soit pour modifier le pas des filets, soit pour remplacer un élément usagé. La matière entrainée dans les vis est généralement mise en pres- sion et a donc tendance à écarter les éléments adjacents et à s'infiltrer entre eux. Elle peut alors parvenir jusqu'aux cannelures et éventuellement se durcir. Le démontage des éléments devient alors difficile et il faut net- toyer l'arbre cannelé chaque fois que l'on change des éléments, cette opéra- tion pouvant être assez longue. On a tenté d'y remédier en plaçant des joints d'étanchéité entre les éléments filetés mais l'expérience montre, quand les pressions sont importantes, que l'on parvient difficilement à évi- ter cet inconvénient. En effet, l'écrou de serrage est utilisé uniquement pour solidariser les éléments entre-eux et, comme il doit être facilement démonté, il ne peut exercer une pression suffisante pour s'opposer à coup sûr à un écartement des éléments permettant l'infiltration de matière. Par ailleurs, les arbres des vis doivent évidemment être mainte- nus dans des paliers. Lorsque la machine est une extrudeuse munie de filiè- res à son extrémité aval, les vis sont maintenues par des paliers situés uniquement du côté de l'entrainement. A leur autre extrémité, elles sont maintenues centrées par rapport au fourreau par la pression de la matière extrudée. Dans d'autres applications, la machine ne fonctionne pas en extru- deuse mais, par exemple, en mélangeur malaxeur. La matière peut ne pas être mise sous pression à l'extrémité aval et être évacuée par un orifice laté- ral du fourreau. Dans ce cas, il est plus normal de faire porter chaque vis par deux paliers placés à ses deux extrémités. Toutefois, dans certains pro- cessus de traitement, il est courant de faire passer la matière par des zones de mise en pression réparties le long de l'arbre et constituées par exemple par des zones de freinage comportant des filets à pas resserrés ou inversés. Dans ce cas, la pression de la matière dans la zone d'engrènement des vis produit un effort d'écartement de celles-ci qui sont ainsi soumises à des contraintes de flexion. Il en résulte, dans la partie centrale, une flèche dont on admet souvent qu'elle peut atteindre trois fois le jeu radial des vis. De ce fait, les éléments filetés sont soumis dans la sec- tion d'engrènement à des contraintes axiales de compression importante et tendent au contraire à s'écarter l'un de l'autre sur la périphérie. Ce désaxement de l'effort axial de compression peut entrainer un effet de matage des faces d'appui des éléments. En outre, en raison de cette légère flexion des vis, les filetages ne s'usent pas régulièrement. L'invention a pour objet des perfectionnements permettant de remé- dier à ces inconvénients. Conformément à l'invention, le moyen de serrage des éléments file- tés est agencé de façon à exercer sur l'empilage un effort de précontrainte susceptible de s'opposer au décollement en service des éléments filetés l'un par rapport à l'autre. Dans un mode de réalisation préférentiel, le moyen de serrage com- prend un vérin hydraulique constitué d'un piston et d'un corps cylindrique prenant appui l'un sur l'arbre central, l'autre sur l'empilage et un moyen 25608 17 de blocage mécanique du piston par rapport au corps après mise en précon- trainte de l'empilage. Le vérin de serrage comprend un écrou vissé sur un filetage correspondant de l'arbre central et sur lequel sont ménagées deux portées cylindriques de diamètres différents encadrant une portée annulaire et le long desquelles est monté coulissant le corps cylindrique, celui-ci étant muni intérieurement de deux portées cylindriques de diamètres inter- nes égaux respectivement aux diamètres externes des portées de l'écrou et encadrant une portée annulaire opposée à celle de l'écrou; l'espace com- pris entre les deux portées annulaires forme une chambre de vérin fermée par des joints d'étanchéité interposés entre les portées cylindriques de mêmes diamètres et qui peut être reliée à un moyen d'alimentation en fluide sous pression. Le moyen de blocage du piston par rapport au corps cylindri- que est constitué par un écrou vissé sur l'une de ces deux pièces et muni de moyens d'accrochage sur l'autre pièce s'opposant au coulissement de celles-ci après relachement de la pression du fluide. Selon une autre caractéristique essentielle, les éléments filetés sont symétriques par rapport à un plan médian perpendiculaire à leur axe de telle sorte qu'après usage dans un sens, on peut les retourner pour les uti- liser dans l'autre sens Mais l'invention sera mieux comprise par la description d'un mode de réalisation particulier, donné à titre d'exemple et représenté sur les dessins annexés. La figure 1 est une vue de dessus schématique, en coupe longitudi- nale d'une machine à vis perfectionnée selon l'invention. La figure 2 est une coupe transversale par un plan A de la figure 1. La figure 3 est une vue de détail représentant en coupe longitudi- nale, le moyen de serrage des éléments filetés. La figure 4 est une vue de détail représentant la jonction de deux éléments adjacents. Sur la figure 1, on a représenté, on coupe longitudinale par un plan passant par les axes des vis, une machine comportant, à l'intérieur d'un fourreau 1, deux vis 11il et 12 à axes 10 parallèles, portées à leurs extrémités par des paliers 13 et 14. Dans l'exemple représenté, les deux vis 11 et 12 sont entrainées en rotation dans le même sens par un groupe d'entrainement 15 et leurs file- tages sont donc identiques. La matière, introduite par un orifice amont 16 centré dans le plan de symétrie du fourreau est entrainée vers l'aval par 25608 17 une section de convoyage A à pas large puis comprimée dans une section à pas resserré B1 précédant une section de freinage C1 qui peut être consti- tuée par exemple de filets à pas inversé munis d'ouvertures de passage de la matière vers l'aval. Pour compenser cet effet de freinage, la matière est donc fortement comprimée dans la section B1. La matière se détend ensuite dans une section B2 à pas direct puis se comprime de nouveau avant de passer dans une nouvelle section de freinage C2, et ainsi de suite jus- qu'à l'extrémité aval du fourreau munie d'un orifice de sortie 17. Bien entendu, ce profil de vis n'est donné qu'à titre d'exemple, chaque application nécessitant un profil particulier. C'est pourquoi, pour pouvoir modifier à volonté le profil des vis, les filetages de pas diffé- rents sont-ménagés sur des éléments juxtaposés, correspondant respective- ment aux sections successives A, B1 C1, B2, C2, etc. Chaque vis sera donc constituée, de façon classique, d'un arbre 2 sur lequel sont enfilés les uns à la suite des autres des éléments 3 consti- tuant ainsi un empilage. Chaque élément 3 comporte une partie centrale cylindrique 31, munie sur sa périphérie d'un ou plusieurs filets 32 enrou- lés en hélice selon un pas propre à l'élément. Pour transmettre aux éléments le couple de rotation, l'arbre 2 est avantageusement muni de cannelures 21 qui s'engagent dans des rainures correspondantes 33 ménagées sur la paroi interne de la partie cylindrique 31 de l'élément. Les deux vis engrènent l'une dans l'autre et sont donc placées dans deux lobes cylindriques sécants 18 de diamètre légèrement supérieur au diamètre extérieur des filets 32. L'entraxe (a) des vis est inférieur à leur diamètre, la différence étant un peu supérieure à la profondeur des filets, de telle sorte que la périphérie du filet d'une vis 11 est écartée du fond de filet de l'autre vis 12 par un jeu (b). Le profil des filets est tel que ceux-ci sont tangents l'un à l'autre dans la section d'engrènement 34 de façon à produire un effet de raclage. Normalement, l'empilage jointif ainsi constitué est calé entre deux butées, une butée fixe 22 placée à une extrémité de l'arbre et une butée mobile placée à l'autre extrémité et constituée, généralement, par un écrou fileté intérieurement et vissé sur un filetage correspondant ménagé à l'extrémité de l'arbre 2. Comme on l'a indiqué, un tel écrou sert seulement à maintenir les éléments filetés sur l'arbre 2 mais n'est pas prévu pour exercer une pression de serrage très importante. Selon la caractéristique essentielle de l'invention, ce moyen de 256 0 8 1 7 serrage est constitué par un écrou hydromécanique 4, représenté en détail sur la figure 3 et qui peut exercer un véritable effort de précontrainte des éléments 3 susceptibles de s'opposer à leur décollement en service. Comme on le voit sur la figure 3, l'écrou 4 est muni d'un file- tage intérieur 41 qui peut se visser sur un filetage correspondant 23 ménagé à l'extrémité de l'arbre 2. Sur sa périphérie, l'écrou 4 est muni de deux portées cylindriques 42, 43 de diamètres différents encadrant une paroi annulaire 44 et définissant ainsi un piston annulaire 45; ce dernier est entouré par un manchon cylindrique 5 muni d'un alésage interne définis- sant deux portées cylindriques 52, 53 de diamètres égaux, respectivement, à ceux des portées 42 et 43 de l'écrou et qui encadrent une paroi annulaire 54 opposée à la paroi 44 de l'écrou 4. Le manchon 5 forme ainsi le corps d'un vérin hydraulique dont le piston est constitué par la partie 45 de l'écrou 4, celui-ci comportant un conduit 46 qui débouche dans la chambre 55 du vérin ménagée entre les parois annulaires 44 et 54, et peut être relié à un moyen d'alimentation en fluide sous pression. La chambre 55 du vérin peut ainsi être mise en pression, son étanchéité étant assurée par des joints 56, 57 interposés entre les portées cylindriques correspondantes 42, 52 et 43, 53. De la sorte, après avoir enfilé les éléments filetés 3 l'un à la suite de l'autre sur l'arbre 2 pour former un empilage calé sur la butée fixe 22, on visse l'écrou 4 sur le filetage 23 jusqu'à venir en butée par son extrémité 47 sur le premier élément 35 de l'empilage, par exemple par l'intermédiaire d'un manchon 36 traversant, de façon étanche, l'extrémité du fourreau 1. On met alors en pression la chambre 55 du vérin et, l'écrou 4 étant bloqué, le corps cylindrique 5 se déplace du côté de l'empilage pour venir s'appuyer sur le manchon 36 par son extrémité 58. Les éléments de vis 3 sont donc soumis à une pression déterminant un effort de précon- trainte qui peut être mesuré en contrôlant la pression d'alimentation du vérin. Auparavant, on a pu déterminer l'effort de décollement des faces d'appui 36 (figure 4) des éléments filetés 3 qui est dfû à la pression P1 exercée par la matière sur les filets 32, principalement dans les zones C à pas inversés et auxquels s'ajoutent les contraintes liées à la flexion des arbres 2 des vis qui dépend de la flèche admise. On admet souvent que celle- ci peut aller jusqu'à trois fois le jeu radial (b) des vis mais l'invention permet précisément de la réduire. En effet, en soumettant les éléments file- tés 3 à un effort de précontrainte, on fait travailler en compression les 6 2560817 parties centrales 31 des éléments filetés et l'on modifie donc l'état d'équilibre en flexion de la vis. On peut ainsi déterminer par le calcul l'effort de décollement des éléments filetés et par conséquent l'effort minimal de précontrainte qui doit lui être opposé et la pression du vérin correspondante. L'écrou hydromécanique qui vient d'être décrit permet d'obtenir des efforts de pré- contrainte très importants, de l'ordre de 20 Tonnes, par exemple, pour des vis ayant un entraxe (a) de 200 mm. Pour éviter de maintenir en permanence la pression du fluide hydraulique, l'écrou 4 est muni d'un moyen de blocage constitué par un écrou 6 vissé sur un filetage 61 ménagé sur la périphérie de l'écrou 4. Après avoir mis en pression le vérin, il suffit de tourner l'écrou de blo- cage 6 dans le sens voulu pour bloquer en position relative les deux par- ties 4 et 5 du vérin et par conséquent maintenir la précontrainte des élé- ments de vis. On peut alors supprimer la pression dans la chambre 55 du vérin. Par ailleurs, l'écrou 4 est muni d'une bague d'accrochage 62 s'enga- geant dans une gorge correspondante 63 ménagée sur la périphérie du corps 5 du vérin. Après desserrage du vérin, la bague 62 permet, par rotation de l'écrou 6, de ramener en contact les faces annulaires 44 et 54 du piston 4 et du corps 5 du vérin. Selon une autre caractéristique de l'invention, les éléments file- tés 3 sont séparés par des joints d'étanchéité 7 symétriques par rapport aux plans transversaux P2 de jonction entre les éléments adjacents. A cet effet, les éléments 3 sont munis de deux demi-gorges 71, 72 ménagées respec- tivement à chaque extrémité de la paroi interne de la partie centrale 31 de l'élément 3 et qui, par accolement de deux éléments adjacents, forment une gorge symétrique par rapport au plan P2 et dans laquelle peut être logé le joint d'étanchéité 7. La hauteur de la gorge et du joint doit être limitée pour que les faces d'appui 36 aient une section suffisante pour la transmis- sion de l'effort de précontrainte, sans risque d'écrasement. Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, le joint d'étanchéité 7, comme on l'a représenté sur la figure 4 se compose d'une bague en matière élastique 73 accolée à un anneau métallique 74 dont le diamètre interne est égal au diamètre extérieur des cannelures 21 de l'arbre 2. De la sorte, la bague élastique 73 est bien maintenue au fond de la gorge 71, 72, l'épaisseur de l'anneau 74 étant supérieure au jeu exis- tant entre les cannelures 21 de l'arbre 2 et les rainures correspondantes 33 des éléments de vis 3 de façon à éviter l'extrusion de la bague 73. 256 0 8 1 7 Le point 7 est constitué avantageusement de deux lèvres symétri- ques par rapport au plan P2 et qui s'appliquent sur les côtés latéraux des demi-gorges 71, 72 par des arêtes circulaires 75. Les éléments filetés 3 sont donc symétriques par rapport à leurs plans médians et peuvent être retournés après usage dans un sens. En effet, dans les sections de convoyage B1, par exemple, les filets 32 sont usés essentiellement sur leur face aval 320, notamment à l'angle du filet 321, l'angle amont 322 étant soumis à des efforts moins importants. Il en résulte une usure irrégulière du filet. Dans les dispositions précédentes, la flexion des vis provoquait un matage irrégulier des faces d'appui 36 qui interdisait le retournement des éléments. Grâce à la disposition selon l'in- vention, les faces d'appui 36 sont soumises à une pression régulièrement répartie, ce qui évite les risques de matage. On peut donc retourner les éléments filetés après usage dans un sens pour un nouvel usage dans un autre sens, ce qui double la durée de vie des éléments. D'autre part, en interdisant pratiquement l'écartement des élé- ments filetés 3 même dans la partie centrale de la vis, on évite l'infiltra- tion de matière dans les cannelures qui restent ainsi toujours propres. L'invention est particulièrement avantageuse dans le cas qui vient d'être décrit, d'une machine à plusieurs vis portée par des paliers à leurs deux extrémités et par conséquent soumise à des flexions, mais elle reste intéressante pour les extrudeuses à une ou plusieurs vis ne compor- tant de paliers que du côté amont. 25608 17 REVENDICATIONS 1. Machine à vis de traitement de matière comprenant au moins une vis (11) entrainée en rotation à l'intérieur d'un fourreau (1) et consti- tuée d'un arbre central d'entrainement (2) sur lequel sont enfilés une plu- ralité d'éléments de vis (3) formant un empilage jointif calé entre une butée et un moyen de serrage placés respectivement aux deux extrémités de l'arbre, caractérisé par le fait que le moyen de serrage (4,5) est agencé de façon à exercer sur l'empilage d'éléments de vis (3) un effort de précon- trainte susceptible de s'opposer au décollement en service des éléments de vis (3) l'un par rapport à l'autre. 2. Machine de traitement de matière selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le moyen de serrage comprend un vérin hydrauli- que (4,5) constitué d'un piston (45) et d'un corps cylindrique (5) prenant appui l'un sur l'arbre central (2), l'autre sur l'empilage (3) et un moyen (16) de blocage mécanique du piston (45) par rapport au corps (5) du vérin, après mise en précontrainte de l'empilage. 3. Machine de traitement selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le vérin de serrage comprend un écrou (4) formant piston vissé sur un filetage correspondant (23) de l'arbre central (2) et sur lequel sont ménagées deux portées cylindriques (42,43) de diamètres diffé- rents encadrant une paroi annulaire (44) et le long desquelles est monté coulissant un corps cylindrique (5) entourant le piston (4) et muni inté- rieurement de deux portées cylindriques (52,53) de mêmes diamètres que les portées (42,43) de l'écrou et encadrant une paroi annulaire (54) opposée à celle (44) du piston (4), l'ensemble limitant une chambre de vérin (55) fer- mée par des joints d'étanchéité (56,57) interposés entre les portées cylin- driques de même diamètre (42,52) et (43,53) et reliée à un moyen (46) d'ali- mentation en fluide sous pression et que le moyen de blocage du piston (4) par rapport au corps cylindrique (5) est un écrou (6) vissé sur l'une de ces deux pièces. 4. Machine de traitement selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les éléments de vis (3) sont symétriques par rapport à un plan médian perpendiculaire à leur axe, de façon à pouvoir être retournés après usage dans un sens pour être utilisés dans l'autre sens. 5. Machine de traitement selon la revendication 4, caractérisé par le fait qu'un joint d'étanchéité annulaire (7) est placé entre les élé- 9 25608 1 7 ments de vis (3) dans deux demi-gorges accolées ménagées sur les faces (36) d'extrémité des éléments adjacents, symétriquement par rapport à leur plan de jonction P2 6. Machine de traitement selon l'une des revendications précéden- tes, caractérisé par le fait qu'elle comprend au moins deux vis (11,12) engrenant l'une dans l'autre et centrées dans deux lobes sécants (18) à axes parallèles ménagés dans le fourreau (1). 7. Machine de traitement selon la revendication 5, dans laquelle les éléments de vis (3) sont munis intérieurement de rainures (33) s'enga- geant sur des cannelures correspondantes (21) de l'arbre central (2), carac- térisé par le fait que chaque joint d'étanchérté (7) est constitué d'une bague (73) en matière élastique entourant un anneau métallique (74) de dia- mètre interne égal au diamètre périphérique des cannelures (21) de l'arbre (2) et d'épaisseur supérieure au jeu existant entre le sommet des cannelu- res (21) et le fond des rainures (33).