Brevet FR2594743A1 — publié le 19870828

L'invention se rapporte à un dispositif de cisaillement dans la masse d'un matériau clastique et plastique distribue à un dispositif de filage. Notamment, mais non limitativement, le dispositif de cisaillement selon l'invention s'insère dans une Installation d'extrusion et de vulcanisation d'élastomère. Dans une telle installation, la matière à extruder qui est chauffée a environ quatre vingt dix degrés celsius et qui se présente alors sous la forme d'une pate, est poussée dans une filière d'extrusion. Pour pousser la pate, on utilise généralement une vis d'extrusion ajustée dans une conduite de transport et mue en rotation. Pour sa vulcanisation, cet élastomère requiert de l'énergie thermique pour le porter jusqu'à une température suffisante de l'ordre de deux cent degrés celsius. Pour cela, en sortie des filières, les articles extrudés peuvent être chauffés notamment au moyen d'air chaud, de vapeur, etc ... Si ce mode opératoire donne de bons résultats pour les articles de faible section transversale et de fornie régulière, il demande néanmoins un apport calorifique important et donc couteux ainsi qu'un traitement long. En outre, pour les articles de section transversale importante, la vulcanisation dans la masse est souvent imparfaitement réalisée. Pour remédier a cet inconvénient, il est connu de porter le matériau à une température prêche de son point de grillage soit environ a cent soixante dix degrés celsius, avant même sa sortie de filière. A cet effet, certains dispositifs sont pourvus de moyens pour réchauffer le matériau par contact avec les parois des conduits dans lesquels il circule et qui bénéficient donc elles-mêmes d'un apport calorifique constant depuis l'extérieur du dispositif, ce qui est également onéreux. D'autres dispositifs plus avantageux (DE-2.059.496, EP-033158) sont pourvus de moyens pour réchauffer le matériau par un cisaillement dans la masse de ce matériau. Pour cela, on fait passer le matériau dans un dispositif de cisaillement situe juste en amont de la filière et qui se compose d'un mandrin cylindrique de révolution qui tourne dans une chemise dont la paroi Intérieure s'étend à une certaine distance de la paroi extérieure du mandrin. La vis d'extrusion distribue le matériau pâteux dans l'interstice annulaire subsistant entre le mandrin et la dite chemise. La rotation du mandrin génère des forces de cisaillement entre les couches voisines de la masse du matériau. L'énergie thermique générée par la friction entre elles des couches cisaillées se dissipe au coeur même de la masse de matériau en provoquant son échauffement de manière homogène. La quantité d'energie thermique dissipée due à la friction dépend des mouvements relatifs des forces de cisaillement et des caractéristiques rhéologiques du matériau extrudé, en d'autres termes, de la vitesse de rotation du mandrin et de la viscosité du matériau. La vulcanisation de l'extrudat démarre Immédiatement, mais cela n'est pas dommageable si le temps de séjour dans ce dispositif de cisaillement reste bref. En outre, le dispositif doit se trouver Impérativement juste en amont de la filière. On reproche néanmoins à ces dispositifs un certain nombre d'inconvénients. Dans l'un de ces dispositifs (DE-2.059.496) la masse de matériau se présente normalement à l'axe de rotation du mandrin puis, ressort sensiblement axialement. Les parties de l'installation d'extrusion situées en amont et en aval de la tête de cisaillement doivent donc être disposées selon des lignes sensiblement perpendiculaires entre elles, ce qui tend à augmenter l'encombrement. Le dispositif (EP-033158) permet de rémédier à cet inconvénient. En effet, le mandrin a son axe de rotation commun avec celui de la vis d'extrusion et consiste d'ailleurs en un prolongement de cette vis d'extrusion. Ce dispositif permet donc l'alignement des installations de préparation et d'extrusion du matériau avec celle de vulcanisation. Malheureusement, le produit poussé par la vis a tendance à glisser axialement jusqu'à la filière sans subir un réel cisaillement. Pour y suppléer, dans ce dispositif, en plus du mandrin, la chemise est également entraînée en rotation mais en fait il est assez peu efficace du point de vue de la pre-vulcanisation. On reproche à ce dispositif d'être relativement complexe mécaniquement. Dans ces deux types de réalisation, le matériau est conduit directement vers la sortie et, de ce fait, le produit final subit directement les défauts d'homogénéité de la matière première. Par ailleurs, le matériau est pousse dans la filière avec toute la pression reçue de la vis d'extrusion et, après extrusion, subit un gonflement incontrôlable. L'invention se propose notamment de remédier aux Inconvénients des dispositifs précités. A cet effet, elle a pour objet un dispositif de cisaillement du type précité comprenant - d'une part, une chemise et un mandrin cylindrique de révolution engagé dans la chemise dans laquelle il délimite une chambre annulaire et, - d'autre part, communiquant avec cette chambre annulaire, une entrée et une sortie du matériau à cisailler dans la masse, ce dispositif de cisaillement étant caractérisé en ce que : - l'entrée et la sortie débouchent sensiblement radialement dans la chambre et ce, en des points sensiblement diamétralement opposés, - des parois latérales délimitent sur le mandrin la dimension de la chambre en direction axiale. Grâce à cette disposition, l'axe de rotation du mandrin est au moins sensiblement perpendiculaire à l'axe des parties amont et aval de l'installation, lesquelles sont de ce fait sensiblement en ligne. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description ci-apres faite à titre d'exemple non limitatif en -regard du dessin ci-annexb qui représente schématiquement une vue en coupe longitudinale d'une installation d'extrusion équipée selon l'invention. En se reportant au dessin, on voit qu'une Installation d'extrusion l comprend une vis d'extrusion 2 tournant dans un conduit 3, laquelle vis pousse un matériau pateux 4 tel un élastomère vers une filière 5 d'extrusion. On note que l'axe de rotation 6 de la vis d'extrusion et l'axe 7 de la filière 5 sont sensiblement orientés selon une même direction 8 dite direction de propagation du matériau. Sur le dessin, cette direction de propagation est matérialisée en traits mixtes forts. Tel que cela apparat sur le dessin, la vis d'extrusion distribue le matériau pâteux à un dispositif de cisaillement 9 qui, situé juste en amont de la filière 5, permet d'échauffer ce matériau principalement par friction. Classiquement, le dispositif de cisaillement 9 comprend un mandrin 10 sensiblement cylindrique de révolution qui tourne autour d'un axe 11 dans une chemise 12 dont la paroi Intérieure cylindrique 13 s'étend à une certaine distance "d" de la paroi cylindrique 14 du mandrin 10. On note que c'est entre ces deux parois que se trouve définie une chambre annulaire 15 de cisaillement du matériau pâteux. Avec cette chambre, communiquent une entrée 18, 19 et une sortie 20 du matériau. Les parois cylindriques 13 et 14 de la chemise 12 et du mandrin 10 constituent les surfaces actives au contact du matériau. Tel que le prévoit l'invention, le dispositif de cisaillement est caractérisé en ce que - l'entrée (18, 19) et la sortie 20 débouchent sensiblement radialement dans la chambre 15 et ce en des points sensiblement diamétralement opposes, - des parois latérales 16 délimitent sur le mandrin 10 la dimension de la chambre 15 en direction axiale 11. De ce fait, l'axe de rotation 11 du mandrin 10 est sensiblement perpendiculaire à l'axe des parties d'installation situées en amont et en aval du dispositif de cisaillement et donc de la direction 8 de propagation du matériau. De préférence, l'entrée comprend deux orifices 18, 19 et la sortie, un seul orifice 20. Dans un mode préféré de réalisation, l'orifice de sortie 20 du matériau à son axe 22 qui est sensiblement dans le plan transversal médian 25 de la chemise 12 et, d'autre part, les deux orifices d'entrée 18, 19 ont leur axe 21 situé dans un plan transversal 23, 24 de la chemise, voisins des parois latérales de cette chemise. De ce fait, pour gagner la sortie, le matériau est contraint à dévier de son parcours circulaire. Comme indique plus haut, les axes 21, 22 des orifices d'entrée 18, 19 et de sortie 20 sont sensiblement situés dans un même plan 26 parallèle à la direction de propagation du matériau. La section des orifices d'entrée est légèrement plus faible que celle de l'orifice de sortie du matériau pour permettre d'obtenir, au niveau de la filière, une pression du matériau qui soit relativement faible. Cette disposition permet d'éviter un gonflement du matériau en sortie de filière. L'homme de l'art est à même d'effectuer les calculs dimensionnels de ces orifices d'entrée et de sortie. Par exemple, l'entrée comprendra deux orifices de seize millimètres de diamètre et la sortie un orifice de vingt quatre millimètres de diamètre, ce qui permettra qu'une pression de l'ordre de deux cent cinquante bars à l'entrée du dispositif puisse être ramenée à environ cinquante ou soixante bars en tète de filière, ce qui évitera tout gonflement du produit après sa sortie de la filière. Pour favoriser l'écoulement du matériau et éviter les angles morts, l'entrée d'au moins l'un des orifices pourra avantageusement avoir une forme oblongue dont le grand axe serait perpendiculaire à l'axe du mandrin. Comme on l'a vu, le mandrin 10 présente une paroi 1 cylindrique de révolution et des parois latérales 16 delimitenl la chambre 15 dans la direction axiale 11. Selon un mode préféré de réalisation de l'invention, li paroi cylindrique de révolution 14 et les parois latérales 1( sont constituées par les faces d'une gorge 28 creusée dans le corps 27 du mandrin. La profondeur est telle que la paroi cylindrique df révolution 14 qui forme le fond de la gorge et constitue l'uns des surfaces actives du dispositif de cisaillement soit uni distance "d" de la paroi 13 de la chemise 12 compatible avec l'effet recherché. Cette gorge 28 réserve de part et d'autre de la chambre If deux collerettes 30, 31 cylindriques de révolution dont les flancs Intérieurs forment les susdites parois latérales 16 de la chambre tandis que la portée cylindrique 32, 33 de chaque collerette est ajustée dans la chemise de manière à réaliser une relative étanchéité vers l'extérieur du dispositif, ceci tout en permettant bien sur la rotation du mandrin. Compte tenu de la pression et du matériau, l'étanchéité ne peut être que relative. Des fuites contrôlées permettent d'ailleurs l'évacuation des parties avec des défauts. Pour limiter les fuites et éviter les pertes trop importantes en pression, l'interstice 34 qui subsiste entre la portée cylindrique 32, 33 de chaque collerette 30, 31 et la chemise 12 est faible et la largeur des collerettes est renforcée. Cette largeur sera par exemple de dix ou quinze millimètres. Pour empêcher une migration du matériau pâteux vers une zone ou il ferait obstacle à l'entraRnement du mandrin, le dispositif selon l'invention comprend des moyens d'évacuation de ce matériau tels notamment un certain nombre de canaux de drainage 35, 36 débouchant à la périphérie de la chemise 12. Pour limiter les fuites et/ou les guider vers les moyens d'évacuation 35, 36, le dispositif comprend en outre des bagues d'étanchéité 37, 38 de forme torique de section en "L" dont une branche 39 forme une rondelle d'appui contre la face latérale 49 du mandrin sous l'action d'un organe de pression 41 tel, de préférence, un vérin hydraulique ou pneumatique permettant d'ajuster la dite pression qui s'exercera avantageusement par l'intermédiaire d'une butée a roulement 42, par exemple à billes. L'autre branche 43 de la bague d'étanchéité forme une jupe cylindrique jouxtant la paroi interne 13 de la chemise 12 et guidant les fuites jusqu'aux moyens d'évacuation 35, 36. Pour, à la fois, assurer le graissage et permettre la susdite évacuation vers les canaux de drainage 35, 36 des produits résultant des fuites, on peut prévoir une injection d'huile par exemple face aux portes cylindriques 32, 33 des collerettes. On remarque qu'aucune précision n'est donnée à propos de la valeur de la distance "d" séparant la paroi cylindrique de la chemise et celle du mandrin, l'homme de l'art étant à même de déterminer cette valeur. La modification de cette distance s'opère évidemment par un échange de mandrin. La même remarque peut être faite quant à la vitesse de rotation du mandrin qui, permettant de reguler la température interne du matériau, dépend de la température de grillage du matériau. On notera que, du fait de la disposition des orifices d'entrée et de sortie, selon une direction radiale à l'axe du mandrin et de leur déport, le dispositif de l'invention permet un malaxage du matériau selon des directions sensiblement perpendiculaires ce qui renforce le pouvoir de cisaillement d'ou un échauffement interne suffisant pour parvenir à une approche du point de grillage sans nécessiter une vitesse de rotation du mandrin qui soit élevée. Par exemple, une vitesse de rotation qui, selon le matériau, était comprise entre dix huit et. quarante tours/minute a ete suffisante pour élever le matériau à une température de cent soixante dix à deux cent vingts degrés celsius alors que, dans les réalisations connues#, cette vitesse devait être de l'ordre de cent soixante dix tours/minute. Par ailleurs, cette disposition des entrées et sortie réserve entre la sortie et les entrées une demi-chambre annulaire réalisant une zone tampon permettant d'amortir les variations de qualité de la matière première notamment de plasticité et viscosité. REVENDICATIONS 1. Dispositif de cisaillement (9) d'un matériau élastique et plastique distribue à un dispositif de filage tel une installation d'extrusion (1) d'un élastomère qui comprend principalement une vis d'extrusion (2) qui pousse un matériau pâteux (4) vers une filière (5 > * l'axe (7) de cette filière (5) et l'axe de rotation (6) de la vis d'extrusion étant orientés sensiblement selon une même direction (8) dite direction de propagation du matériau, le dit dispositif de cisaillement qui est situe en amont de la filière (5) et reçoit le matériau pâteux de la vis d'extrusion comprend:: - d'une part, une chemise (12) et un mandrin (10) cylindrique de révolution engagé dans la chemise (12) dans laquelle il délimite une chambre annulaire (15) et, - d'autre part, communiquant avec cette chambre annulaire (15) une entrée (18, 19) et une sortie (20) du matériau (4) à cisailler dans la masse, ce dispositif de cisaillement étant CARACTERISE en ce que - l'entrée (18, 19) et la- sortie (20) débouchent sensiblement radialement dans la chambre (15) et ce, en des points sensiblement diamétralement opposés, - des parois latérales (16) délimitent sur le mandrin (10) la dimension de la chambre (15) en direction axiale. 2. Dispositif de cisaillement selon la revendication 1 caractérisé - d'une part, en ce que l'entrée comprend deux orifices (18, 19) et la sortie, un seul orifice (20), et - d'autre part, en ce que l'orifice de sortie (20) du matériau à son axe (22) qui est sensiblement dans le plan transversal médian (25) de la chemise (12) et les deux orifices d'entrée (18, 19) ont leur axe (21) situé dans un plan transversal (23, 24) de la chemise, voisins des parois latérales de cette chemise. 3. Dispositif de cisaillement selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que la section des orifices d'entrée est légèrement plus faible que celle de l'orifice de sortie du matériau. 4. Dispositif de cisaillement selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que l'entrée d'au moins l'un des orifices peut avoir une forme oblongue dont le grand axe est perpendiculaire à l'axe du mandrin (10). 5. Dispositif de cisaillement selon l'une quelconque des revendications 1 a 4 caractérisé en ce que la paroi cylindrique de révolution (14) et les parois latérales (16) sont constituées par les faces d'une gorge (28) creusée dans le corps (27) du mandrin et qui réserve de part et d'autre de la chambre (15) deux collerettes (30, 31) cylindriques de révolution dont les flancs intérieurs forment les susdites parois latérales (16) de la chambre tandis que la portée cylindrique (32, 33) de chaque collerette est ajustée dans la chemise de manière à réaliser une relative étanchéité vers l'extérieur du dispositif. 6. Dispositif de cisaillement selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que, pour empêcher une migration du matériau pâteux vers une zone ou il ferait obstacle à l'entratnement du mandrin (10), il comprend des moyens d'évacuation de ce matériau constitués d'un certain nombre de canaux de drainage (35, 36). 7. Dispositif de cisaillement selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que, pour limiter les fuites et/ou les guider vers les moyens d'évacuation (35, 36), il comprend des bagues d'étanchéité (37, 38) de forme torique de section en (L) dont une branche (39) forme une rondelle d'appui contre la face latérale (49) du mandrin tandis que l'autre branche (43) de la bague d'étanchéité forme une jupe cylindrique jouxtant la paroi interne (13) de la chemise (12) et guidant les fuites jusqu'aux moyens d'évacuation (35, 36). 8. Dispositif selon la revendication 7 caractérisé en ce que cet appui s'opère sous l'action d'un vérin par l'intermédiaire d'une butée à roulement (42).