Brevet FR2573689A1 — publié le 19860530

Palier pour le montage d'une broche de machine-outil munie d'un dispositif de refroidissement dans une poupée L'invention concerne un palier pour le montage d'une broche de ma- chine-outil munie d'un dispositif de refroidissement dans une poupée, dans lequel les bagues intérieures des roulements de la broche reçoi- vent un agent réfrigérant liquide par l'intermédiaire de canaux d'ali- mentation et d'évacuation s'étendant parallèlement à l'axe de la bro- che. Dans les machines-outils dont les broches tournent à une vitesse élevée, le frottement des roulements entraine la production de cha- leur qui est transmise tant sur la broche que sur la poupée. Du fait de la répartition non uniforme de la température dans les éléments constitutifs des roulements et dans la broche, il se produit des dé- placements des outils d'usinage dans le sens de l'axe de la broche et en ce qui concerne la position angulaire des axes de rotation des ou- tils, ce aux dépens de la précision de l'usinage. Aussi est-il habi- tuel de refroidir les bagues extérieures des roulements par un dispo- sitif de refroidissement forcé. Toutefois, au vu des plages de vitesse de rotation élevées qui sont aujourd'hui requises et des exigences de précision toujours plus sévères, le refroidissement des bagues ex- térieures des roulements s'avère insuffisant. En effet, en refroidis- sant les bagues extérieures des roulements, seule une très faible part de la chaleur apparaissant sur les bagues intérieures des roulements peut être évacuée par l'intermédiaire des éléments roulants. Afin d'évacuer également de la chaleur des bagues intérieures des roulements, on a proposé pour un palier pour le montage d'une broche de machine-outil munie d'un dispositif de refroidissement du type men- tionné en introduction (demande de brevet DE-19 57 974) un coussinet entourant les bagues extérieures des roulements. Le coussinet présente un canal d'alimentation parallèle à l'axe du coussinet et qui, au niveau des roulements, est raccordé à l'espace intérieur des roule- ments par l'intermédiaire d'alésages transversaux. Le coussinet pré- sente en outre un canal d'évacuation de l'agent réfrigérant; l'agent -2- 1 réfrigérant en provenance de l'espace intérieur des roulements pénè- tre, à proximité du nez de broche, dans un espace annulaire qui est raccordé au canal d'évacuation. Comme agent réfrigérant, on emploie de l'huile de graissage qui, au moyen d'une pompe, est amenée à l'espace intérieur des roulements par l'intermédiaire du canal d'alimentation. De cette manière, l'huile de graissage alimente directement tant les bagues extérieures que les bagues intérieures des roulements. Elle traverse successivement les différents roulements jusqu'à arriver enfin dans l'espace annulaire prévue sur le nez de broche, d'o elle retourne, par l'intermédiaire du conduit d'évacuation et d'un refroidisseur d'huile, dans un récipient de stockage. Cette solution apparamment simple est cependant peu efficace en matière d'action réfrigérante. En effet, du fait des éléments roulants qui tournent à une vitesse élevée, il se forme une mousse constituée d'huile et d'air, qui convient mal à l'évacuation de chaleur. En outre, des pertes apparaissent lors du tourbillonnement de l'huile dans l'espace intérieur des roulements, pertes qui augmentent encore la quantité de chaleur produite. Attendu que ce palier connu n'assure pas une évacuation de chaleur correcte, il est prévu un dispositif correcteur supplémentaire, qui commande la position axiale de la broche en fonction de sa température. Toutefois, un tel dispositif correcteur suppose que le coussinet soit déplaçable axialement dans la poupée, et nécessite en outre des éléments de commande compliqués. L'invention a pour objectif de fournir un palier pour le montage d'une broche de machine-outil munie d'un dispositif de refroidissement dans une poupée qui, avec un mode de construction simple, assure une évacuation correcte de la chaleur perdue hors des bagues intérieures des roulements, garantissant ainsi une précision d'usinage élevée accompagnée d'une plus grande longévité des roulements. Selon l'invention, cet objectif est atteint par le fait que les canaux d'alimentation et d'évacuation sont pratiqués dans la broche et sont raccordés à des rainures de refroidissement qui sont usinées dans la surface extérieure de la broche, au moins au niveau des bagues intérieures des roulements disposées sur le nez de broche, de manière à s'étendre dans le sens circonférentiel ou en spirale, et qui sont - 3- 1 ouvertes vers les bagues intérieures des roulements. Grâce à ces mesures relativement simples, on assure une bonne évacuation de la chaleur perdue depuis la proximité des bagues inté- rieures des roulements. Comme l'agent réfrigérant, s'il est amené aux bagues intérieures des roulements par l'intermédiaire des rainures de refroidissement, n'entre cependant pas en contact avec les éléments roulants, il ne risque pas de mousser, et peut donc développer la to- talité de son action réfrigérante. Grâce à l'évacuation correcte de la chaleur perdue des bagues intérieures des roulements, on empêche la transmission de chaleur sur la broche et ses parties de palier, et on garantit ainsi une précision d'usinage élevée. Par rapport aux pa- liers de montage munis d'un dispositif de refroidissement o seules les bagues extérieures des roulements sont refroidies, le palier de montage selon l'invention présente également un meilleur comportement à la mise en route à froid, car il n'est pas nécessaire de prendre en compte de quelconques dilatations thermiques lors du dimensionnement du jeu du palier. Enfin, la bonne évacuation de la chaleur des ba- gues intérieures des roulements entraîne également une augmentation de la longévité des roulements. Selon une caractéristique supplémentaire de l'invention,-les rai- nures de refroidissement s'étendant dans le sens circonférentiel sont raccordées entre elles les unes en dessous des autres par l'intermé- diaire de plusieurs rainures de raccordement s'étendant dans le sens axial. Les rainures de raccordement disposées entre des rainures de refroidissement voisines peuvent alors être alternativement décalées de 1800 les unes par rapport aux autres. Selon une configuration avantageuse de l'invention, les rainures de refroidissement présentent une section rectangulaire. Selon une au- tre caractéristique, le canal d'alimentation débouche dans la rainure de refroidissement la plus proche de la face frontale du nez de bro- che, et le canal d'évacuation est raccordé à la rainure de refroidis- sement la plus éloignée de la face frontale. Selon une nouvelle carac- téristique, un manchon à paroi mince réalisé en un matériau conduisant bien la chaleur est disposé entre les bagues intérieures des rou- lements et la surface extérieure de la broche, au niveau des rainures -4 - 1 de refroidissement. Enfin, selon un mode de réalisation préférentiel, le palier selon l'invention comprend, dans la zone des rainures de refroidissement, entre les bagues intérieures voisines des roulements ainsi qu'entre ces bagues et les autres pièces tournant avec la broche, des bagues d'ajustage qui présentent, dans leurs faces frontales tournées selon le cas vers les bagues intérieures des roulements ou vers les autres pièces tournant avec la broche, des rainures annulaires destinées à recevoir des bagues d'étanchéité. La description qui suit explicite l'invention à l'aide d'exemples de réalisation représentés sur le dessin annexé, lequel montre: à la figure 1, une vue en coupe axiale d'un premier exemple de réalisation, et à la figure 2, une vue en coupe axiale d'un deuxième exemple de réalisation. La broche 1 de machine-outil est, à proximité de son nez de broche la, montée en rotation dans la poupée 3 au moyen de plusieurs rou- lements 2. Entre les bagues intérieures 2a de deux roulements voisins ainsi qu'entre les bagues intérieures 2a de roulements et des pièces la et 4 qui tournent avec la broche 1, on a prévu des bagues d'ajusta- ge 5. Dans le présent exemple de réalisation, ces bagues d'ajustage sont dotées, sur leurs faces frontales appuyées selon le cas contre des bagues intérieures 2a de roulements voisines ou contre les pièces tournant avec la broche, de rainures annulaires dans lesquelles sont disposées des bagues d'étanchéité 6. Le moyeu 7 d'une roue conique 8 entraînée par la roue conique 9 est monté en ajustement appuyé à l'extrémité intérieure de la broche 1. Le moyeu 7 est également monté dans la poupée 3, par l'intermédiaire des roulements 10 et d'un man- chon intermédiaire 11. En outre, deux canaux d'alimentation 12 et d'évacuation 13, paral- lèles à l'axe de la broche et décalés entre eux de 1800, sont prati- qués dans la broche 1. (Le canal d'évacuation 13 est dessiné décalé de ). Au niveau des bagues intérieures 2a pévues à proximité du nez de broche la, des rainures de refroidissement 14 sont usinées dans la surface extérieure lb de la broche; dans le présent exemple de -5- 1 réalisation, ces rainures s'étendent en spirale. Ces rainures de refroidissement 14 présentent de préférence une section rectangulaire. Toutefois, elles peuvent aussi éventuellement présenter une section trapézoidale ou semi-circulaire. Les rainures de refroidissement 14 sont ouvertes vers les bagues intérieures 2a des roulements. L'échappement d'agent réfrigérant dans l'espace intérieur des roule- ments 2 est empêché par les bagues d'étanchéité 6. Afin que les rainures de refroidissement 14 soient traversées à contrecourant, la rainure de refroidissement 14a la plus proche du nez de broche la est raccordée au canal d'alimentation 12 par l'inter- médiaire de l'alésage de raccordement 15. La rainure de refroidisse- ment 14b la plus éloignée du nez de broche la est raccordée au canal d'évacuation 13 par l'intermédiaire de l'alésage de raccordement 16. Le canal d'évacuation 13 débouche en 13a dans le carter d'engrenages. A l'extrémité supérieure du canal d'alimentation 12, la broche 1 est entourée par un manchon 17, un espace annulaire 18 étant présent entre une partie du manchon 17 et la broche. Le manchon 17 présente un alésage d'entrée 19 qui est relié à une pompe d'agent réfrigérant non représentée, à refroidisseur intégré. Le manchon 17 entoure par ses deux extrémités 17a et 17b la surface extérieure de la broche de sorte telle qu'une fente d'étanchéité à action hydrostatique est formée entre la surface extérieure de la broche et le manchon 17. Le manchon 17 pourrait être remplacé par tout autre dispositif d'alimentation, permettant l'alimentation d'un agent liquide d'une partie sta- tionnaire à une partie en rotation. L'alimentation en agent réfrigé- rant pourrait par exemple s'effectuer également du côté frontal à l'extrémité intérieure de la broche 1. De même, on pourrait imaginer effectuer l'évacuation de l'agent réfrigérant par l'intermédiaire d'un manchon similaire au manchon 17. I1 est toutefois plus simple de faire déboucher le canal d'évacuation 13 dans le carter d'engrenages. Mais il faut impérativement pour cela employer comme agent réfrigérant de l'huile pour engrenages. Depuis le carter d'engrenages 20, l'agent réfrigérant est renvoyé à la pompe non représentée en passant par le refroidisseur. Grâce à l'agent réfrigérant amené directement aux bagues inté- -6- 1 rieures des roulements, la chaleur de frottement apparaissant au ni- veau des bagues intérieures 2a des roulements est évacuée en continu, de sorte que tout échauffement de la broche 1 est exclu, et que la précision d'usinage est maintenue même à des vitesses de rotation élevées de la broche. La pression et/ou la quantité et la température de l'agent réfrigérant amené par l'intermédiaire du canal d'alimenta- tion 12 et des rainures de refroidissement 14 aux bagues intérieures des roulements sont, en fonction d'une grandeur de référence (tempéra- ture ambiante de préférence), régulées de façon que la température de la broche, mesurée en un point de mesure représentatif, corresponde le plus exactement possible à la température ambiante. Le refroidissement des bagues extérieures 2b des roulements s'ef- fectue de manière conventionnelle au moyen d'un agent réfrigérant qui est amené aux rainures de refroidissement 22 par l'intermédiaire d'un alésage d'alimentation 21 pratiqué dans la poupée 3; les rainures de refroidissement 22 sont pratiquées dans un manchon intermédiaire 23 qui entoure les bagues extérieures 2b des roulements. Le liquide de refroidissement réchauffé est évacué par l'intermédiaire de l'alésage d'évacuation 24. Les roulements supérieurs 10 sont refroidis d'une ma- nière similaire, par de l'agent réfrigérant qui s'écoule par les rai- nures de refroidissement 25 pratiquées dans le manchon intermédiaire 11. Eventuellement, les bagues intérieures des roulements 10 peuvent également être refroidies, d'une manière similaire à celle décrite plus haut pour les bagues intérieures 2a des roulements inférieurs 2. On notera que l'entraînement de la broche devra alors s'effectuer au dessus des roulements supérieurs 10. L'exemple de réalisation présenté à la figure 2 est conforme dans ses principaux éléments à celui de la figure 1, de sorte qu'on a em- ployé les mêmes chiffres de référence, et que la description ci-des- sus reste valable, avec les adaptations nécessaires. Toutefois, dans l'exemple de réalisation présenté à la figure 2, un manchon à paroi mince 26 réalisé en un matériau conduisant bien la chaleur est disposé entre les bagues intérieures 2a des roulements ou encore le cas échéant les bagues d'ajustage 5 et la surface extérieure lb de la bro- che. Ce manchon à paroi mince 26 empêche l'échappement de l'agent ré- - 7 - 1 frigérant dans l'espace intérieur des roulements, de sorte qu'on peut se passer des bagues d'étanchéité 6. Comme il est à paroi mince et qu'il présente une bonne conductivité thermique, le manchon 26 ne re- met pratiquement pas en cause l'évacuation de la chaleur des bagues intérieures 2a des roulements. En outre, les rainures de refroidissement 14' usinées dans la sur- face extérieure lb de la broche ne sont ici pas disposées en spirale, mais réalisées sous la forme de rainures circonférentielles. Chaque rainure de refroidissement 14' est donc en elle-même fermée. Les dif- férentes rainures de refroidissement 14' sont raccordées entre elles par l'intermédiaire de rainures de raccordement axiales 27. Afin que l'agent réfrigérant traverse en totalité les rainures de refroidisse- ment 14', il est opportun que les rainures de raccordement 27 soient alternativement décalées de 180 les unes par rapport aux autres. 1 REVENDICATIONS 1. Palier pour le montage d'une broche de machine-outil munie d'un dispositif de refroidissement dans une poupée, dans lequel les bagues intérieures des roulements de la broche reçoivent un agent réfrigérant liquide par l'intermédiaire de canaux d'alimentation et d'évacuation s'étendant parallèlement à l'axe de la broche, caractérisé par le fait que les canaux d'alimentation et d'évacuation (12, 13) sont pratiqués dans la broche (1) et sont raccordés à des rainures de refroidissement (14, 14') qui sont usinées dans la surface extérieure (lb) de la broche, au moins au niveau des bagues intérieures (2a) des roulements disposées sur le nez de broche (la), de manière à s'étendre dans le sens circonférentiel ou en spirale, et qui sont ouvertes vers les bagues intérieures (2a) des roulements. 2. Palier selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les rainures de refroidissement (14') s'étendant dans le sens circon- férentiel sont raccordées entre elles les unes en dessous des autres par l'intermédiaire de plusieurs rainures de raccordement (27) s'éten- dant dans le sens axial. 3. Palier selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les rainures de raccordement (27) disposées entre des rainures de re- froidissement (14') voisines sont alternativement décalées de 180 les unes par rapport aux autres. 4. Palier selon une quelconque des revendications précédentes, ca- ractérisé par le fait que les rainures de refroidissement (14, 14') présentent une section rectangulaire. 5. Palier selon une quelconque des revendications précédentes, ca- ractérisé par le fait que le canal d'alimentation (12) débouche dans la rainure de refroidissement (14a) la plus proche de la face frontale du nez de broche (la), et que le canal d'évacuation (13) est raccordé à la rainure de refroidissement (14b) la plus éloignée de la face frontale. 6. Palier selon une quelconque des revendications précédentes, ca- ractérisé par le fait qu'un manchon à paroi mince (26) réalisé en un matériau conduisant bien la chaleur est disposé entre les bagues inté- rieures (2a) des roulements et la surface extérieure (lb) de la bro- -9- 1 che, au niveau des rainures de refroidissement (14'). 7. Palier selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend, dans la zone des rainures de refroidissement (14), entre les bagues intérieures (2a) voisines des roulements ainsi qu'entre ces bagues et les autres pièces (la, 4) tournant avec la broche, des bagues d'ajustage (5) qui présentent, dans leurs faces frontales tour- nées selon le cas vers les bagues intérieures (2a) des roulements ou vers les autres pièces (la, 4) tournant avec la broche (1), des rainu- res annulaires destinées à recevoir des bagues d'étanchéité (6).