Brevet FR2588928A1 — publié le 19870424

Z588928 -- 1 -- RESSOiT DE TYPE CYLINDRIQUE UTILISABLE AUX HAUTES TEMPERATURES ET PROCEDE DE REALISATION D'UN TEL RESSORT L'invention concerne un ressort de type cylindri- que qui permet de transmettre ou d'absorber des forces qui lui sont appliquées. Son application se situe dans le domaine des hautes températures. Un ressort qui permet de transmettre ou d'absor- ber des forces est d'usage courant en mécanique. Il s'agit par exemple de ressorts à boudin, tels que décrits dans le livre "Formulaire DE LAHARPE, notes et formules de l'ingénieur 23ème Edition, Editeur Albin MICHEL, Paris 1938, page 492. Ces res- sorts utilisent la flexibilité d'une structure faite h partir d'un matériau dont les propriétés mécaniques et élastiques - sont adaptées à l'usage prévu. Des ressorts à boudin d'un usa- ge courant sont ainsi réalisés en acier trempé. Mais lorsque l'on désire utiliser ces différents types de ressorts aux températures élevées une première dif- ficulté apparaît car le matériau constitutif du ressort perd ses propriétés élastiques lorsque la température s'élbve et le ressort ne peut alors plus remplir sa fonction. Une seconde difficulté apparaît, lorsque l'appli- cation à haute température nécessite en plus des conditions parfaites de propreté, comme c'est par exemple le cas dans la métallurgie des semiconducteurs o des impuretés, même en trbs faible quantité, peuvent nuire à la qualité du produit final. En effet les matériaux constitutifs des ressorts, outre leur perte de propretés élastiques, émettent des vapeurs métalli- ques et des produits de dégazage multiples. Un but de l'invention est donc de disposer d'un ressort qui conserve ses propriétés élastiques aux hautes tem- pératures. Un autre but de l'invention est de faire que lors 2 88928 2 - de ce fonctionnement à haute température le matériau eonstitu- tif du ressort n'émette pas de vapeurs dues à son propre mate- riau. Pour cela un ressort selon l'invention est remar- quable en ce qu'il est constitué d'un tube cylindrique creux, en matériau réfractaire non métallique, qui présente des évi- dements non jointifs de hauteur h, selon des bandes, distantes entre elles de e, sensiblement perpendiculaires à l'axe du tu- be cylindrique creux, ces évidements étant répartis dans le tube selon une disposition hélicoïdale, chaque évidement étant constitué par un cylindre de hauteur h, dont la génératrice se déplace parallèlement à l'axe du tube sur une courbe fer- mée formée d'une partie du contour d'une section sensiblement droite du tube cylindrique creux, comprenant une portion des contours relatifs aux faces interne et externe du tube cylin- drique creux, la courbe fermée subissant, pour deux évidements voisins, une rotation par rapport à l'axe du tube cylindrique creux. Le matériau réfractaire non métallique peut être du quartz, du graphite ou du nitrure de bore. Préférentielle- ment la section droite du tube cylindrique creux est annulai- re. Le rapport h/e peut être sensiblement égal à 1. Dans la métallurgie des semiconducteurs il est très souvent nécessaire d'effectuer des opérations de mouve- ment à l'intérieur d'une enceinte fermée dans laquelle règne un certain nombre d'équilibres de pression, de température, de composition chimique. La transmission de mouvements ou de for- ces s'avère difficile, et ceci bien qu'ils soient généralement de faibles amplitudes. Pour traiter ce problème le ressort selon l'in- vention est réalisé préférentiellement dans un tube de quartz dont la section droite est annulaire. Ce tube présente des évidements réalisés à l'aide d'une scie à fils, par exemple, et qui débouchent dans la partie creuse du tube. Dans ce cas, il s'agit d'une technique à froid qui n'apporte pas de pertur- - 3 - bations telles que microfissures ou autres, la zone perturbée le long de la surface de découpe étant de très faible épais- seur. Ces évidements sont pratiqués sensiblement selon une section droite. Après avoir traversé la première face de la surface interne du tube cylindrique préférentiellement ils effleurent la seconde face. Des évidements voisins sont placés à une distance h les uns des autres, décalés en rotation par rapport à l'axe du tube cylindrique, de sorte que tous les évidements réalisés dans le tube se succèdent selon une répartition hélicoïdale. Plusieurs évidements sont donc placés sur une même génératrice à une distance T tel que n = T. Sur une distance H, il y a h donc n évidements successifs qui sont décalés en rotation d'un angle 360/n. Pour réaliser un tel ressort il est préférable d'utiliser une scie multifils dont les fils sont distants de T. On opère ainsi simultanément tous les évidements distants de T. Puis on tourne le tube de quartz sur son support d'un angle 36OVn et on effectue à nouveau tous les évidements dis- tants de T. L'opération est effectuée pour les n rotations. On peut également utiliser un laser dans la mesure o la zone perturbée longeant le bord de découpe, n'est pas trop large eu égard à l'épaisseur e de la zone restante. L'invention sera mieux comprise, à l'aide des figures suivantes, données à titre d'exemples non limitatifs, qui représentent: figure 1: une portion de ressort selon l'invention, figure 2: une illustration du mécanisme de découpe d'un tube cylindrique creux et du ressort ainsi obtenu selon l'invention avec n = 3, figure 3: une représentation simplifiée, d'une coupe, selon l'axe de symétrie du tube, d'un ressort selon l'in- vention, figure 4: une courbe de compression-extension en fonction de la force appliquée. -4- Sur la figure 1 est représenté un ressort 10 réalisé dans un tube cylindrique creux en quartz dans le cas d'un ressort ayant un pas à six évidements 111 à 116. Les évi- dements 111 et 117 sont analogues et sont distants d'un pas T. Les évidements sont espacés de e et décalés en rotation par rapport à l'axe XX' d'un angle de 360 /6 = 60 dans l'exemple représenté. La largeur de chaque évidement est h. La figure 2 représente une méthode préférentiel- le de réalisation de l'invention dans le cas d'un pas à trois évidements pour la simplification du dessin. On utilise pour cela une scie multifils comprenant par exemple trois fils 201, 202, 203 distants entre eux de T. La largeur des fils est sen- siblement de h. Trois découpes sont effectuées 221, 222, 223, avec le sens de pénétration représenté par la flèche 21. Les découpes sont réalisées jusqu'à ce que les fils affleurent la paroi interne 25, c'est-à-dire après avoir traversé la totali- té de la zone creuse 26 du tube cylindrique. Afin d'obtenir un pas à trois évidements le tube est alors tourné par rapport à son axe d'un angle de 360'/3 = 120', la position des lettres A, B, C mettant en relief cette rotation. Les trois fils sont alors déplacés selon l'axe lon- gitudinal du tube d'une distance T/3 et trois nouveaux évide- ments sont réalisés 231, 232, 233. Les opérations de rotation et de translation analogues aux précédentes sont effectuées puis trois autres évidements sont réalisés. Dans le cas le plus général pour un pas compre- nant n évidements, le pas de rotation est de 360'/n et le pas de translation de chaque fils est de T/n. La figure 3 représente une coupe, selon l'axe de symétrie du tube, d'un ressort selon l'invention mais repré- senté pour faciliter le dessin, dans le cas d'un ressort avec un pas à deux évidements. Cette structure est très simplifiée mais permet de mieux visualiser les forces mises en oeuvre. La coupe A représente une partie de ressort au repos. En con- sidérant des déplacements se faisant par rapport à une spire -5 - centrale centrée sur l'axe YY', on obtient en B un ressort en élongation et en C un ressort en compression. Dans ces deux cas on observe sur la spire cent-rale les directions des forces mises en oeuvre qui sont symétriques par rapport à l'axe YY'. Les forces représentées par les flèches 31 et 33 agissent en compression sur les forces représentées par les flèches 32 et 34. Les forces représentées par les flèches 35 et 37 agissent en extension avec les forces représentées par les flèches 36 et 38. La composition de ces forces révèle qu'une structure de ressort ayant des angles vifs est moins bonne qu'une structu- re présentant des angles arrondis. Pour cette raison le fond de chaque évidement, par exemple 39, doit préférentiellement avoir une structure arrondie. Ceci est aisément obtenu par un découpage opéré ê l'aide d'une scie à fils. Pour les mêmes raisons les bords externes de cha- que évidement, tel que 50, ont préférentiellement une structu- re arrondie. Ceci peut être obtenu en opérant un décapage chi- mique local effectué après la réalisation des évidements. La coupe C représente le même ressort dans des conditions de compression avec d'autres directions de forces mises en oeuvre. Là aussi la structure préférentielle est celle avec des angles arrondis. Les coupes de la figure 3 représentent un exemple volontairement simplifié. Les mêmes mécanismes d'équilibre de forces se présentent, mais de manière bien plus complexe, dans des ressorts selon l'invention, avec un nombre d'évidements supérieur à 2 par pas. La figure 4 fournit la courbe d'élongation en compression-extension en fonction de la force appliquée pour un ressort en quartz selon l'invention. Pour un ressort ayant les caractéristiques géométriques suivantes: longueur: 20 mm nombre d'évidements: 26 À pas T = 2,25 mm 35. largeur de découpe h = 0,2 mm - 6 - - distance entre découpe e = 1 mm diamètre d = 18 mm. La courbe d'élongation en fonction de la force est sensiblement linéaire. Sa pente est environ de 10-2 m/N. Il opère aussi bien en compression (zone 41) qu'en extension (zone 42).Ce ressort peut également supporter de faibles for- ces de torsion. Le rapport entre la largeur de la découpe h et la distance e entre deux découpes consécutives peut se situer sur une large gamme de valeurs selon les dimensions respectives de h et e. Les situations extrêmes les plus caractéristiques sont pour les faibles et les fortes valeurs de h et e. Pour les valeurs faibles, il est possible de réa- liser un ressort avec les valeurs h e c 50 pm pour lequel le rapport h/e est sensiblement égal à 1. Le procédé de découpe n'apporte que très peu de perturbations telles que microfrac- tures ou autres dans la zone de découpe, ce qui permet de con- server au matériau situé entre deux évidements, une qualité intrinsèque satisfaisante pour l'application visée. En effet, pour une faible épaisseur de matériau restant, des microfrac- tures rendraient impossible la réalisation d'un ressort. Pour les valeurs élevées, la distance e n'ayant pas de limite particulière, le choix sur la valeur h peut éga- lement être très étendu. Il est possible d'utiliser des fils, munis d'abrasifs, de plusieurs millimètres de diamètre et de faire des évidements larges autorisant la réalisation de res- sorts de grandes dimensions. La technique du sciage s'adapte correctement à ces conditions extrêmes et permet une réalisa- tion économique de ressorts en matériau réfractaire non métal- lique. Les ressorts en matériau réfractaire non métalli- que qui viennent d'être décrits peuvent être utilisés dans les applications qui nécessitent la transmission ou l'absorption de forces de faible amplitude dans des conditions de tempéra- -7 - ture élevée. Un tel ressort peut être utilisé à des températu- res dépassant 1000 C lorsqu'il est réalisé en quartz, en car- bone ou en nitrure de bore, en-conservant ses propriétés élas- tiques de base. Il est ainsi possible d'obtenir un ressort avec un matériau à l'état amorphe disposant de qualités analo- gues à un ressort métallique. Dans ces situations de haute température il pos- sède en outre l'intérêt de ne pratiquement pas fournir de va- peurs par évaporation de son matériau constitutif, ce qui per- met de l'utiliser dans des atmosphères nécessitant de bonnes conditions de propreté. I1 peut donc être utilisé dans la mécanique des hautes températures, la métallurgie des semiconducteurs, la transmission de mouvements sous vide à haute température... REVENDICATIONS: 1. Ressort de type cylindrique (10) caractérisé en ce qu'il est constitué d'un tube cylindrique creux, en maté- riau réfractaire non métallique, qui présente des évidements (111 à 117) non jointifs de hauteur h, selon des bandes, dis- tantes entre elles de e, sensiblement perpendiculaires à l'axe du tube cylindrique creux, ces évidements étant répartis dans le tube selon une disposition hélicoïdale, chaque évidement (111 à 117) étant constitué par un cylindre de hauteur h, dont la génératrice se déplace parallèlement à l'axe du tube sur une courbe fermée formée d'une partie du contour d'une section sensiblement droite du tube cylindrique creux, comprenant une portion des contours relatifs aux faces interne et externe du tube cylindrique creux, la courbe fermée subissant, pour deux évidements voisins, une rotation par rapport à l'axe du tube cylindrique creux. 2. Ressort selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau réfractaire non métallique est du quartz. 3. Ressort selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau réfractaire non métallique est du nitrbre de bore. 4. Ressort selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau réfractaire non métallique est du graphite. 5. Ressort selon une des revendications 1 à 4, ca- ractérisé en ce que le rapport h/e est sensiblement égal à 1. 6. Ressort selon une des revendications 1 à 5, ca- ractérisé en ce que la section droite du tube cylindrique creux est annulaire. 7. Ressort selon une des revendications 1 à 6, ca- ractérisé en ce que le fond de chaque évidement est arrondi. 8. Procédé pour la réalisation d'un ressort de type cylindrique (10) caractérisé en ce que dans un tube cylindri- que creux en matériau réfractaire non métallique, - on effectue une opération de sciage partiel du tube, selon une direction correspondant à une section sensiblement - 8 - droite du tube, à l'aide d'une scie à fils, ayant au moins un fil, afin de réaliser au moins un évidement partiel (11 à 117) du tube traversant la partie creuse du tube, la lar- geur du fil correspondant sensiblement à la largeur de l'évidement recherchée, - on déplace le tube par rapport au fil de la scie, selon une rotation par rapport à l'axe du tube d'un angle de 360 /n et une translation parallèlement à l'axe du tube, d'une distance T/n, o T représente la distance entre deux évide- ments consécutifs situés sur une même génératrice et n le nombre d'évidements à réaliser dans le tube sur la distance T, - on répète l'opération de sciage puis l'opération de dépla- cement jusqu'à l'obtention d'un ressort (10) en matériau réfractaire non métallique ayant le nombre d'évidements et la longueur recherchés.