Brevet FR2613525A1 — publié le 19881007

L'invention concerne un dispositif pour as- sembler des pièces, qui rend minimales les contraintes mécaniques dues aux tensions d'origine thermique sur les pièces assemblées. Les dispositifs connus jusqu'à présent pour assembler deux pièces de manière à rendre minimales les tensions thermiques, utilisent en majeure partie des élé- ments d'assemblage flexibles radialement et assurant une liaison rigide par ailleurs. Comme décrit dans le docu- ment EP 0063063 au sujet d'un radiotélescope, un point d'assemblage d'un tel dispositif est maintenu fixe, tan- dis que les autres points de fixation permettent chacun un changement dans le sens radial. Un tel dispositif uti- lise des éléments de fixation flexibles radialement et agissant à la façon de ressorts plats. Par "Proceedings of SPIE"(volume 250 (1980) pages 24-26 et volume 450 (1983) pages 34-38), il est également connu de fixer un miroir de verre à une structure de support métallique par des éléments radialement flexibles. Ce type de fixation conduit à des systèmes de fixation très compliqués et qui ont en plus une certaine tendance à vibrer. Par le brevet DE 3 119 299, on connaît en plus un assemblage collé élastique. L'application de la technique de ccllage a toutefois plusieurs inconvénients. D'une part, on ne peut pas obtenir un joint collé idéal d'épaisseur nuile, d'autre part, les points de collage ont une plus faible rigidité et ne sont pas détachables. Le brevet DE 3 634 196 décrit un dispositif qui prévoit une compensation thermique pour l'assemblage de deux pièces, agissant de façon ponctuelle. Des défor- mations d'origine thermique sont obtenues dans ce cas par un accouplement rigide, ce qui permet une fixation à des points qui ont exactement la même dilatation thermique que la pièce à fixer. Le brevet DE 3 012 830 décrit la correction de déformations superficielles au moyen de matériau piézoélectrique, procurant un ajustement actif. Dans le cas des machines-outils, il est connu (brevets DE 1 010 802 et DE 2 558 625) de compenser la di- latation thermique au moyen de barres de dilatation. Ce mode de réalisation conduit à des constructions très vo- lumineuses et peut seulement agir ponctuellement. Ce principe est appliqué aussi aux pendules. Cependant, tous les modes de fixation, excep- tion faite du dispositif décrit dans le brevet DE 3 634 196, ont l'inconvénient qu'en cas de changements thermiques, par le déplacement des points de fixation, ia structure du support peut exercer des contraintes sur le composant porté, ou alors la rigidité de l'assemblage est très faible. Même si les contraintes sont relative- ment faibles, les déformations peuvent être inadmissibles, avec le résultat que l'aptitude à l'emploi peut être supprimée sinon fortement limitée. Surtout dans l'appli- cation à des éléments optiques, à des miroirs de téles- copes par exemple, dont la forme de la surface doit ré- pondre à des exigences très sévères, avec des précisions qui sont de l'ordre de quelques nanomètres, même de faibles forces entrainent des déformations perceptibles de la surface, déformations qui réduisent fortement l'ap- titude à l'emploi de l'élément. Lorsqu'il faut satisfaire en plus à des conditions de rigidité et de résistance mécaniques accrues, les méthodes de fixation mentionnées ne permettent pas d'y parvenir. Par le brevet DE 918051, il est connu de di- mensionner et d'agencer un élément compensateur de ma- nière que les changements de longueurs provoqués par des variations de température d'une construction porteuse et de l'élément compensateur se compensent mutuellement sur une distance de mesure. Les extrémités de cette construc- tion porteuse présentent deux branches de mesure avec une tringlerie compensatrice. Cette invention, comme les techniques décrites au début, utilisent, pour l'égalisation du coefficient de dilatation, deux matériaux ayant des coefficients de dilatation différents. De plus, on connaît de manière générale des jonctions par serrage. C'est ainsi que, dans l'industrie du meuble, on connait des tirants d'ancrage en forme de coin, utilisés par exemple pour l'assemblage de parties d'une armoire. Le but de l'invention est de créer un assem- blage solide entre deux pièces, sur une grande longueur, assemblage qui doit au besoin pouvoir être défait et qui, tout en ayant une grande rigidité, exerce des contraintes d'origine thermique aussi faibles que possible. Conformément à l'invention, on obtient ce résultat par le fait que les pièces à assembler pré- sentent au moins un évidement, s'étendant le long du joint, dans lequel un tirant d'ancrage en forme de coin assure une liaison, le tirant d'ancrage s'appuyant sur les pièces avec interposition d'au moins un élément com- pensateur thermique, de manière que la force exercée par le tirant d'ancrage reste la même dans une plage de tem- pérature choisie au préalable. Dans l'application pratique de l'ancre de liaison avec compensation de température, il faut veiller à respecter intégralement, partout, le principe connu de la compensation de température m n k=1 blb = aklk - i. =l ii; n,m 6N o ab - coefficient de dilatation linéaire des segments à assembler 1b - longueur de composant à observer pour les segments à assembler ai - coefficient de dilatation linéaire des éléments com- pensateurs à assembler 1i - longueur de composant à observer pour les éléments compensateurs à assembler ak - coefficient de dilatation linéaire du tirant d'an- crage en forme de coin 1k - longueur de composant à observer pour le tirant d'ancrage en forme de coin. Cela signifie que l'épaisseur des éléments compensateurs sur le tirant d'ancrage en forme de coin n'est pas constante sur la longueur de l'ancre de liaison. La détermination de cette épaisseur est cependant très simple en général en raison des rapports géométriques simples. En règle générale, lorsque les deux pièces à assembler sont faites d'un matériau homogène tel que verre ou "Zérodur", l'épaisseur des éléments compensateurs peut être fixée par une seule mesure aux deux extrémités de la longueur de fixation et de l'ancre de liaison. Les dimensions seront donc déterminées généralement par cal- cul. Au cas o les deux pièces à assembler sont faites de matériaux homogènes différents, l'invention permet égale- ment une solution en considérant les deux côtés séparé- ment. C'est seulement dans le cas de pièces non homogènes qu'il faut déterminer, sur toute la longueur du coin, un profil des coefficients de dilatation quis'établissent et dont il faut tenir compte à la fabrication des éléments ou revêtements compensateurs et du tirant d'ancrage en forme de coin. Il est avantageux de tenir compte du pro- fil ainsi obtenu, lors de la réalisation de l'ancre de liaison, de manière que la structuration soit réalisée seulement entre le tirant d'ancrage et les éléments com- pensateurs et que la surface extérieure soitpar ailleurs lisse. Au cas o l'on désire obtenir une compensa- tion thermique sur une seconde plage de température, il ne suffit plus de tenir compte du coefficient de dilata- tion linéaire a. Eneffet, le coefficient a est une ca- ractéristique du matériau qui dépend de la température et dont les valeurs diffèrent en différentes plages de température. Les valeurs moyennesa t2 indiquées dans t1 les tableaux ne suffisent plus en pareil cas et on doit parvenir à optimiser l'égalisation des coefficients de dilatation, dans la plage de température à compenser, par une combinaison appropriée de plusieurs éléments ou re- vêtements compensateurs sur le corps de base. Une seconde condition essentielle à respecter est que la différence corresponde à la longueur de compo- sant à observer des pièces à assembler. Ceci peut s'ex- primer par la formule suivante: m n k=1 lb = lk - i=l; n,m EN. L'exécution en forme de coin du tirant d'ancrage est néces- saire afin d'obtenir une fixation solide agissant sur une grande longueur. Grâce à la fixation à compensation de tempé- rature, l'exigence d'une épaisseur de joint d'à peu près nulle peut être obtenue - contrairement à la technique de collage - lorsque les surfaces appliquées l'une contre l'autre,au joint des composants à fixer ensemble, sont usinées en conséquence. En outre, on obtient une grande rigidité du fait que les composants sont assemblés, au moyen du tirant d'ancrage de forme en coin, sur toute la longueur du joint. Le dispositif selon l'invention n'est pas li- mité à l'assemblage de pièces ayant le même coefficient de dilatation. Elle est applicable aussi à l'assemblage de pièces ayant des coefficients de dilatation différents, ce qui ressort très clairement des formules générales pour l'application pratique. La compensation entre le composant et l'ancre de liaison peut être assurée aussi par un seul élément ou revêtement compensateur sur le tirant d'ancrage en forme de coin lorsque, par un traitement de surface, on fait en sorte que le même coefficient de friction "soit ob- tenu entre les surfaces de contact des composants et l'ancre de liaison. Il est particulièrement avantageux que la lon- gueur de l'ancre de liaison soit égale à la longueur du joint entre les pièces à assembler. Les forces nécessaires à une liaison solide entre les pièces peuvent alors être distribuées de façon optimale sur une grande surface et la charge produite au droit des entailles des pièces à assembler peut être maintenue minimale. En utilisant deux ancres de liaison en combinaison avec un élément d'assem- blage à complémentarité de formes entre les tirants d'an- crage, on peut obtenir une stabilité optimale des posi- tions des joints l'un par rapport à l'autre. L'élément l0 d'assemblage précité doit être fait du ou des matériaux des pièces à assembler. Dans un mode de réalisation particulièrement avantageux, l'ancre de liaison est constituée d'un tirant d'ancrage en forme de coin qui présente un élément com- pensateur entre lui-même et les surfaces de contact de chacune des pièces à assembler. La surface de contact de l'élément compensateur avec la pièce à assembler peut être formée d'un matériau ayant un très petit coefficient de friction Au. Il y a lieu de tenir compte de cet aspect surtout lorsqu'on réalise l'élément ou le revêtement com- pensateur de plusieurs matériaux ayant des coefficients de dilatation différents. On utilisera toujours une telle constitution à plusieurs couches des éléments ou revête- ments compensateurs lorsqu'on s'efforce d'obtenir une compensation en température du tirant d'ancrage avec les pièces à assembler dans une plage de température étendue. Etant donné que grâce à l'utilisation de l'ancre de liaison en forme de coin on peut assembler des pièces qui seront généralement très grandes, ce qui est très avantageux, le système selon l'invention a l'avan- tage particulier que les pièces assemblées peuvent de nouveau être démontées ensuite, sans destruction, et peuvent être remontées de façon contrôlée, à la suite d'un transport, sur le lieu d'utilisation. Cependant, ceci sera très rarement possible dans le domaine optique. En raison des exigences d'exactitude très sévères dans ce secteur, l'invention est applicable de manière particulièrement avantageuse à la construction de miroirs pour télescopes. Le dispositif selon l'inven- tion permet en effet d'assembler très avantageusement des segments pour constituer un miroir de grandes dimensions. Le miroir principal ainsi réalisable peut avoir des di- mensions beaucoup plus grandes que les miroirs massifs existants coulés en une seule pièce. Selon d'autres caractéristiques de l'inven- tion: - au moins un élément compensateur est relié de façon fixe à une ancre de liaison et est disposé sur le tirant d'ancrage; - les éléments compensateurs sont constitués par des revêtements compensateurs disposés sur les deux côtés en tant que surfaces d'appui sur les pièces à as- sembler. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la descrip- tion qui va suivre d'un exemple de réalisation non limi- tatif, ainsi que des dessins annexes, sur lesquels: - la figure 1 illustre le principe de la com- pensation en température; - la figure 2 est une coupe partielle de deux segments d'un dispositif optique de grandes dimensions, prise suivant la ligne II-I de la figure 3; et - la figure 3 est une coupe de la liaison réalisée entre ces deux segments prise suivant la ligne 11-III de la figure 2. La figure 1 montre le principe général de la compensation en température. Si a,2 est le coefficient de dilatation linéaire et 12 la longueur dont il faut tenir compte dans le calcul pour le premier matériau (1) et si a 3 est le coefficient de dilatation linéaire et 13 la longueur dont il faut tenir compte dans le calcul pour le second matériau (2), la différence des produits a2.12 et a 3 '13 doit correspondre au produit du coefficient de dilatation linéaire a1 et de la longueur 11 dont il faut tenir compte dans le calcul si l'on veut obtenir une com- pensation optimale en température. De plus, la différence des deux longueurs 12 et 13 de l'ancre de liaison, compen- sée en température, doit correspondre à la longueur 11. La figure 3 montre l'utilisation d'une ancre de liaison 9 en forme de coin, ancre qui est compensée en température, pour l'assemblage de deux segments 7 et 8 dans la réalisation d'un dispositif optique (miroir) de grandes dimensions. Il est essentiel, dans cette appli- cation, que le joint Il ne présente pas de variations de contraintes avec les changements de température. L'usi- nage de la surface du miroir s'effectue apres l'assem- blage solide des segments 7 et 8 du miroir. Les éléments compensateurs 10 se trouvent des deux côtés du tirant d'ancrage 13 en forme de coin. Lors- que les deux matériaux, celui du tirant d'ancrage 13 et celui des éléments compensateurs 10, sont combinés de fa- çon adéquate pour ce qui concerne leurs longueurs respec- tives, on obtient que les forces agissant au droit du joint I1l ne varient pas lorsque les températures changent. La figure 2 est une coupe des deux segments 7, 8 dans le plan du miroir. Les segments sont en "Zérodur" et ils sont assemblés par l'ancre de liaison 9 en forme de coin. Le tirant d'ancrage 13 de l'ancre de liaison 9 est en "Invar" et est appuyé avec interposition de blocs d'aluminium en forme de coins, lesquels représentent les éléments compensateurs 10 de part et d'autre de l'ancre de liaison 9. Pour vérifier si les conditions nécessaires à une compensation en température;ont remplies, il faut utiliser les grandeurs suivantes: al - coefficient de dilatation linéaire du matériau des segments du miroir ("Zérodur" en l'occurrence) 11 distance 16 entre le joint 11 et le point de liaison entre le segment 7 et l'ancre de liaison 9 a2 - coefficient de dilatation linéaire du tirant d'an- crage 13 de l'ancre de liaison 9 ("Invar" en l'occur- rence) 12 - distance 14 entre le joint 11 et le point de liaison des deux matériaux de l'ancre de liaison 9 a3 - coefficient de dilatation linéaire de l'élément ou du revêtement compensateur 10 de l'ancre de liaison 9 (aluminium en l'occurrence) 13 - distance 15 entre le point de liaison des deux maté- riaux de l'ancre de liaison 9 et du point de liaison entre le segment 7 ou 8 et l'ancre de liaison 9. Dans l'exemple décrit: al -C,110-c6 1/oK lère cond. ai.l = a2.12- a3.13 a2 2.4-2,8 10-6 1/ K 2e cond. l, = 12 - 13 a3 -20-26-10 6 1/ K Il est à noter que les nombres indiqués ci- dessus ne sont valables qu'approximativement. Le coeffi- cient de dilatation linéaire effectif a est une caracté- ristique du matériau fonction de la température et qui change approximativement de façon linéaire avec la tempé- rature dans certaines plages seulement. Il en découle que l'élément ou le revêtement compensateur doit éventuelle- ment être constitué de plusieurs couches de matériaux différents et ayant des épaisseurs différentes afin d'ob- tenir, dans la plage de température considérée, une con- cordance aussi grande que possible avec les changements non linéaires du coefficient de dilatation du ou des ma- tériaux à assembler. La référence 12 désigne les faces d'extrémité des tirants d'ancrage 13. Après que les différents segments ont été as- semblés, chaque fois avec deux ancres de liaison 9 en forme de coins et compensées en température, à la suite de l'insertion d'un élément d'assemblage à complémenta- rité de formes, constitué par un cylindre 17 en "Zérodur" pour le clavetage, l'usinage final du miroir peut commen- cer. REVENDICATIONS 1. Dispositif destiné à assembler des pièces en réduisant à un minimum les contraintes mécaniques exer- cées sur les pièces assemblées et qui résultent des tensions d'origine thermique, caractérisé en ce que les pièces (7, 8) à assembler présentent au moins un évide- ment, s'étendant le long du joint (11), dans lequel un tirant d'ancrage (13) en forme de coin assure une liaison, le tirant d'ancrage s'appuyant sur les pièces (7, 8) avec interposition d'au moins un élément compensateur ther- mique (10), de manière que la force exercée par le tirant d'ancrage (13) reste la même dans une plage de tempéra- ture choisie au préalable. 2. Dispositif selon la revendication 1, carac- térisé en ce que les matériaux et les longueurs - mesurées transversalement au joint (11) - du tirant d'ancrage (13) avec au moins un élément compensateur (10), sont choisis de manière que la longueur mesurée entre les points d'ap- pui du tirant d'ancrage corresponde à la distance des sur- faces de contact coordonnées des pièces dans la plage de température considérée. 3. Dispositif selon la revendication 1, carac- térisé en ce qu'au moins un élément compensateur (10) est relié de façon fixe à une ancre de liaison (9) et est disposé sur le tirant d'ancrage (13). 4. Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce que les éléments ou revêtements compensateurs (10) sont prévus sur les deux côtés comme des surfaces d'appui sur les pièces (7 et 8) à assembler. 5. Dispositif selon la revendication 1, carac- térisé en ce que l'élément compensateur (10), disposé sur le tirant d'ancrage (13) en forme de coin de l'ancre de liaison (9), est constitué de plusieurs matériaux, de manière à assurer une compensation en température dans une large plage de température. 6. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'élément compensateur (10) sur les surfaces de contact avec les pièces (7 et 8) à assembler est fabriqué d'un matériau ayant un faible coefficient de friction. 7. Dispositif selon la revendication 1, carac- térisé en ce que la longueur de l'ancre de liaison (9) correspond à la longueur du joint (11) entre les pièces (7 et 8) à assembler. 8. Dispositif selon la revendication 1, carac- térisé en ce que des démontages et des remontages répétés de l'ancre de liaison (9) entre les pièces (7 et 8) à assembler sont possibles. 9. Dispositif selon la revendication i, carac- térisé en ce que les pièces (7 et 8) à assembler sont des segments d'un miroir de grandes dimensions.