Brevet FR2627118A1 — publié le 19890818

"Procédé et installation pour la lubrification dirigée de paires de points de friction" L'invention concerne un procédé et une in- stallation pour la lubrification dirigée de paires de points de friction. L'invention concerne la lubrification de tout type de paires de zones de friction existant dans des machines, des appareils ou des éléments à mouve- ment relatif et pour lesquels le couple nécessaire au mouvement relatif, par exemple un mouvement de rota- tion en particulier de broche de palier à roulement tournant à grande vitesse sur des machines-outils, ne doit pas augmenter de manière perceptible. Augmenter la vitesse relative entre des élé- ments en friction exige entre autre la résolution du problème de la lubrification pour que la fiabilité de l'élément ou des éléments ne soit pas mise en cause par une augmentation de la chaleur de friction. En particulier, lorsqu'on augmente la vitesse de coupe sur des machinesoutils, les problèmes se concentrent en particulier sur le développement de paliers de rou- lement très précis, travaillant à grande vitesse, pour les broches, les moyens de guidage et les unités motrices ainsi que sur la construction légère de pièces à déplacement rapide. Pour tous ces éléments, il est indispensable de garantir la lubrification. Cette lubrification doit tenir compte de conditions différentes. Un choix dirigé de l'agent de lubrification, du procédé de lubrification, de la réalisation cons- tructive des éléments en friction ainsi que de l'envi- ronnement, deviennent nécessaires. Dans le cas de paliers de broches il faut que la lubrification soit conçue pour que les surfaces de contact de roulement soient toujours séparées de manière certaine par un film d'agent lubrifiant car ce n'est que par un tel graissage total que l'on peut garantir une qualité constante qui ne soit pas diminuée par l'usure. De plus, la lubrification doit se faire avec des pertes de puissance les plus faibles c'est-à-dire l'échauffe- ment des paliers pour ne pas influencer la précision du travail de la machine. Les procédés de lubrification suivants s'u- tilisent pour graisser les paliers des broches princi- pales: - lubrification par une graisse, généralement un graissage à vie; il convient pour des vitesses de rotation nominales dm. n de rotation). - lubrification avec une quantité minimale d'huile lubrification par un brouillard d'huile dm. n - lubrification par injection d'huile avec refroidis- sement de l'huile en retour dm. n > 1. 106 mm. min-1 Grâce au moyen constructif réduit, le grais- sage à vie est très répandu. Ce n'est qu'aux vitesses de rotation élevées que la graisse ne garantit plus une lubrification suffisante. Une solution consiste à utiliser un procédé de lubrification par une quantité minimale d'huile et par la lubrification par injection d'huile. Le couple de frottement minimum et ainsi le fonctionnement optimum de palier à roulement se si- tuent à de très faibles quantités d'huile ajoutées comme par exemple dans les paliers à roulement cylin- drique avec 0, 1 mm3 et pour des paliers axiaux à billes pour 10 mm3. La plus petite quantité d'huile que l'on peut doser de manière suffisamment fiable peut s'obtenir à l'aide d'une installation de dosage qui fournit un volume d'environ 5 mm3 par cadence. Dans des installations de lubrification à brouillard d'huile un dispositif de lubrification à microbrouillard d'huile pulvérise l'huile en des par- ticules extrêmement petites et environ 60 % des parti- cules d'huile ont un diamètre inférieur à 0,5 x 10-6m. Les plus petites gouttes ont l'avantage de bien se transporter et de moins d'accrocher ou s'étaler. Dans les conduites d'alimentation il n'y a pratiquement pas de résidus. Toutefois, il faut que le fin brouillard d'huile soit de nouveau recomprimé à la sortie du pa- lier pour pouvoir humidifier les paliers avec un film d'huile susceptible de lubrifier. L'inconvénient est de ne pas pouvoir faire un dosage précis de l'huile et une compression totale en retour. Le brouillard d'hui- le non consommé, en excédent, sort de la broche et pollue l'environnement. Pour remédier à ces inconvénients, on a dé- veloppé la lubrification de type huile-air. Dans ce système, l'huile est injectée de manière dosée dans une conduite balayée par de l'air; cette huile coule en ondes le long de la paroi du tube et reste à l'état continu jusqu'à l'extrémité de la conduite. La plus petite quantité d'huile dosable (en- viron 5 mm3) se répartit ainsi sur une durée d'environ mn. On remarque que la lubrification huile-air ne peut se concevoir de façon optimale que pour un point de fonctionnement fixe. Lorsque les conditions de fonctionnement va- rient, le système devient instable. Il en résulte une lubrification par excès ou par défaut des points de contact à séparer car la lubrification huile-air ne réagit qu'avec inertie aux nouvelles situations. Dans les deux cas, la température du palier atteindrait des niveaux inacceptables. Il n'est pas possible d'augmen- ter encore plus les vitesses de rotation à l'aide des procédés existants de graissage minimum. On passe donc à des lubrifications utilisant de grandes quantités d'huile, c'est-à-dire la lubrification par injection évacuant en même temps la chaleur du palier. Ce procé- dé entraîne des pertes de puissance importantes dont il faut absolument tenir compte pour la puissance d'entraînement de la machine. De cet état de la technique découlent des raisons graves s'opposant à l'utilisation de la lubri- fication par quantités minimales en particulier lors- que les vitesses de rotation varient, lorsque les charges varient ou lorsqu'on dépasse les vitesses de rotation tolérées: - ainsi, lorsque le nombre de passages sur un point de la trajectoire augmente, les forces centrifu- ges appliquées aux couches de lubrifiant augmen- tent et poussent ces couches à migrer. - lorsque la vitesse de rotation augmente, les sur- faces de guidage des cages sont plus fortement sollicitées et leur alimentation en agent lubri- fiant frais est plus difficile. - le dosage du lubrifiant suivant des quantités mi- nimales ne peut se faire de manière suffisamment fine avec les moyens actuels, par exemple pour des paliers à rouleaux. En cas de variation du frottement et de la température engendrée par les variations de débit, en particulier dans le cas de broches à faible jeu au niveau des paliers, on rencontre des contraintes qui peuvent provoquer une surchauffe. - les tourbillons d'air engendrés aux vitesses de rotation élevées rendent toujours plus difficile de fournir de petites quantités d'huile, de ma- nière dirigée et régulière aux paliers. - l'augmentation de la vitesse de rotation rend nécessaire d'augmenter le débit minimal d'huile par une quantité complémentaire de sécurité pour éviter toute sous-alimentation des points de con- tact. L'adjonction de sécurité entraîne une sur- lubrification et par suite une surchauffe du pa- lier. - en pratique, on passe alors à la lubrification par injection et refroidissement de l'huile de retour ce qui est une solution non économique sur le plan de la consommation d'énergie. - malgré les solutions (aspiration du brouillard d'huile) cela se traduit par une pollution impor- tante de l'environnement dans le cas de la lubri- fication par un brouillard d'huile. Il subsiste le problème de la lubrification par une quantité minimale permettant une alimentation dirigée, dosée de manière précise des points de con- tact et présentant une possibilité d'adaptation impor- tante aux conditions de fonctionnement variables. Il faut pour cela garantir que les gouttelettes d'huile très fines arrivent réellement sur les surfaces de friction. Le but de l'invention consiste dans le cas d'ensembles montés sur palier à roulement ou autres paires d'éléments en frottement qui en outre tournent à grande vitesse, de réduire le couple de frottement au minimum par une lubrification dirigée et d'arriver ainsi à un état de fonctionnement optimum indépendant de la charge. On se propose en outre d'éviter la pol- lution de l'environnement par le brouillard d'huile qui s'échappe et la pénétration de corps étrangers sous forme de poussières, par exemple dans le boîtier de la broche. L'invention se propose de développer un pro- cédé et une installation correspondant au préambule de la première revendication pour réaliser une lubrifica- tion dirigée des paires de zones de friction en four- nissant une quantité d'huile de lubrification, dosée, au zones de friction sans polluer l'environnement. A cet effet, l'invention concerne un procédé. du type ci-dessus caractérisé en ce que les micro- gouttelettes de brouillard polarisées ne se déposent que sur les surfaces de contact ainsi que sur les bil- les et la cage nécessitant une lubrification, le cou- rant d'air et le champ de haute tension se règlant en fonction de la charge, et les micro-gouttelettes de brouillard non utilisées se déposent sur des disques de condensation et de projection et sont renvoyées par la conduite de retour d'huile condensée et en ce que l'air qui constitue le fluide vecteur s'échappe libre d'huile par des intervalles de sortie d'air. Les avantages de cette solution résident dans la possibilité de fournir en fonction de la char- ge la quantité d'huile de graissage absolument néces- saire au point de contact nécessitant une lubrifica- tion (paire de zones de frottement) c'est-à-dire d'éviter la surlubrification ce qui, par exemple dans le cas de broches tournant à grande vitesse, provoque des pertes de puissance par un échauffement important des paliers. On crée ainsi un état de fonctionnement optimum pour les paliers à roulement. Les éventuelles gouttelettes du microbrouillard d'huile, en excédent se déposent sur les disques de condensation ou d'accé- lération et sont rappelées. Ainsi, le fluide vecteur qui est de l'air peut sortir absolument sans huile et forme un joint d'air qui évite la pénétration de corps étrangers de type poussières et ne pollue pas l'envi- ronnement. Une régulation en tension dépendant de la charge (c'est-à-dire dépendant de la vitesse de rota- tion et de la charge par exemple de la broche) permet de modifier sans difficulté la quantité et le poten- - tiel du "brouillard d'huile" porteur de charge. Un circuit de régulation règle en fonction du régime de coupe une lubrification autorégulée. Cela est particu- lièrement avantageux sur le plan du coût dans le cas d'agents de lubrification de synthèse grâce à la pos- sibilité de réutilisation de l'agent de lubrification non consomme. L'invention concerne également une installa- tion caractérisée en ce que la conduite d'alimentation est isolée électriquement, et elle comporte des bacs de distribution isolés électriquement, les paliers à roulement étant isolés électriquement à l'exception des surfaces de contact, des billes et des surfaces de contact de la cage et en ce que des disques de conden- sation et de projection non isolés et des conduites de retour d'huile condensée sont prévus. L'isolation est possible par des couches de peinture résistant à l'huile, des revêtements de ma- tière plastique ou par l'utilisation d'autres maté- riaux non conducteurs comme par exemple de la cérami- que, des matières plastiques renforcées par des fibres de carbone, ou par des fibres de verre. Les avantages de la solution résident dans le fait que seule la quantité de gouttelettes de mi- crobrouillard d'huile nécessaire se dépose sur les points de contact non isolés, qui nécessitent une lu- brification et qui sont nécessaires pour conserver les conditions de fonctionnement optimales; de ce fait, on ne peut avoir de pertes de puissance par lubrifica- tion excessive. D'autres avantages résident dans le fait que les disques de condensation et de projection en aval prennent les éventuelles gouttes de microbrouillard en excédent et reconduisent ces gouttelettes dans le cir- cuit d'huile. En particulier, lorsqu'on utilise des agents de lubrification de synthèse, on a un avantage sur le plan du coût. De plus, l'huile qui constitue le fluide vecteur peut s'échapper de la broche en ne con- tenant absolument plus d'huile, évitant ainsi toute pollution; de plus, cet air qui s'échappe interdit la pénétration de corps étrangers. La présente invention sera décrite ci-après à l'aide d'un exemple de réalisation représenté dans les dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est un schéma de principe d'une broche de fraise tournant à grande vitesse. - la figure 2 montre des points de contact nécessitant une lubrification au niveau d'un palier à roulement. Selon la figure 1, comme exemple de réalisa- tion, on décrira une broche de fraise 4 pour un usina- ge à grande vitesse. Le générateur de brouillard d'huile i four- nit un microbrouillard d'huile dont la dimension des gouttelettes est majorité inférieure à 2 pm et la te- neur en huile dépend du problème de lubrification. Le générateur de brouillard d'huile 1 se compose de la combinaison connue de quatre éléments distincts, à savoir: filtre à pression, vanne réductrice de pression équi- pée d'un manomètre, pressostat et élément fournissant le microbrouillard d'huile. Ce microbrouillard d'huile est introduit dans une chambre d'ionisation 2 dans laquelle règne un champ électrostatique d'une haute tension réglable en- tre 10... 35 kv qui assure l'ionisation du brouillard d'huile. La conduite d'alimentation 3 fournissant le brouillard d'huile ionisée aux paliers à roulement 5 et 8 est isolée car tout contact métallique provoque- rait un dépôt cathodique du brouillard d'huile. On dispose de plusieurs possibilités pour cette isolation: i - tuyau en plastique qui traverse le boîtier 6 de la broche. 2 - revêtement à l'aide d'une couche résistante élec- trique, résistante à l'huile et qui ne soit pas métallique (couche de vernis). Les cages intermédiaires 13 et 14 ainsi que les cages de répartition 15 et 16 des paires de pa- liers 5 et 8 sont soit totalement isolées (par revête- ment) soit réalisées en des matériaux non métalliques (comme par exemple de la matière céramique) ou encore en une matière plastique renforcée par des fibres de carbone. Ainsi, le brouillard d'huile ionisée arrive dans les paliers 5 et 8 et se dépose sous la forme d'un mince film de lubrification sur l'anneau inté- rieur 7 et 10, la bille 11, la cage 12 et l'anneau etérieur 6 et 9. Pour arrêter le tourbillon d'air dans le voisinage du palier du fait des vitesses de rotation maximales, on fournit le brouillard d'huile oïdie avec une faible surpression. Environ trois per- çages 19 et 20 répartis à la périphérie partent d'une rainure de distribution 17, 18 et arrivent avec des directions de jet sur l'anneau intérieur ou l'anneau extérieur des paliers à roulement 5 et 8. La direction des jets dépend du guidage de la cage qui peut se fai- re sur la bague intérieure ou sur la bague extérieure. Le brouillard d'huile ionisée qui traverse le palier du fait de l'excédent offert, se dépose sur les disques de condensation ou de projection 21 et 24 et peut alors revenir pour un nouvel emploi par une chambre collectrice 25-28 dans la conduite de retour d'huile condensée 29. La séparation cathodique du brouillard d'huile dans la zone du palier se combine à l'effet d'étanchéité assuré par l'air constituant le fluide vecteur et qui s'échappe à l'extérieur à tra- vers les intervalles 30 et 31. De ce fait, il n'y a plus de pollution de l'environnement par le brouillard d'huile. Pour assurer une alimentation encore plus dirigée et uniquement des surfaces de contact, avec l'agent lubrifiant, on peut également isoler les surfaces fonctionnelles porteuses à l'aide d'un revê- tement. A la figure 2, on a représenté un palier à roulement avec une cage de guidage sur la bague exté- rieure. Pour garantir le dépôt cathodique du brouil- lard d'huile seulement dans la zone de contact entre la bille 11, la bague intérieure 7 et la bague exté- rieure 6 ainsi que la cage 12, on revêt toutes les au- tres surfaces d'une couche isolante. On obtient ainsi un film lubrifiant efficace uniquement au niveau des surfaces de contact 32 et 33, avec la possibilité de régulation en fonction de la charge pour réaliser des conditions de fonctionnement optimales et un circuit d'huile de graissage fermé. Liste des références utilisées dans la description 1 générateur de brouillard d'huile 2 chambre d'ionisation 3. conduite (isolée) d'alimentation 4 broche de paire à grande vitesse palier à roulement 6 bague extérieure 7 bague intérieure 8 palier à roulement 9 bague extérieure bague intérieure 11 bille 12 cage 13 -bague intermédiaire 14 l bague de distribution 17 rainure de distribution 18 i 19 perçages " 21 disques de condensation et de projection 22 23 " 24 " chambres collectives 26 " 27 28 " 29 conduite de retour d'huile intervalle de sortie d'air 33 surface de contact R E V E N D I C A T IONS 1 ) Procédé et installation pour la lubrifi- cation dirigée de paires de zones de frottement, en transformant une quantité dosée d'huile de lubrifica- tion en un brouillard, en polarisant ce brouillard dans une chambre d'ionisation puis en appliquant ce brouillard pour former des couches électrostatiques et en évacuant par aspiration le brouillard d'huile non utilisé, caractérisé en ce que les micro-gouttelettes de brouillard polarisées ne se déposent que sur les surfaces de contact (9) et (10) ainsi que sur les bil- les (11) et la cage (12) nécessitant une lubrifica- tion, le courant d'air et le champ de haute tension se réglant en fonction de la charge, et les micro- gouttelettes de brouillard non utilisées se déposent sur des disques de condensation et de projection (21...24) et sont renvoyées par la conduite de retour d'huile condensée (29) et en ce que l'air qui consti- tue le fluide vecteur s'échappe libre d'huile par des intervalles de sortie d'air (30) et (31). 2^) Procédé selon la revendication 1, carac- térisé par une possibilité de régulation en fonction de la charge pour réaliser des conditions de fonction- nement optimales et un circuit d'huile de graissage fermé. 3') Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que la conduite d'alimentation (3) est isolée électriquement, et elle comporte des bacs de distribution (15) et (16) isolés électriquement, les paliers à roulement (5) et (8) étant isolés élec- triquement à l'exception des surfaces de contact (9) et (10), des billes (11) et des surfaces de contact de la cage (12) et en ce que des disques de condensation et de projection (21...24) non isolés et des conduites de retour d'huile condensée sont prévus. 4*) Installation selon l'une quelconque des revendications 1 et 3, caractérisée en ce que l'isola- tion est réalisée par une couche de peinture résistant à l'huile, des revêtements de matières plastiques ou par d'autres matériaux non conducteurs, comme par exemple de la céramique des matières plastiques ren- forcées par des fibres de verre. ') Installation selon l'une quelconque des revendications 1 et 3, caractérisée en ce que la con- duite d'alimentation (3) est un tuyau en plastique, les bagues de distribution (15) et (16) en céramique et les surfaces ne nécessitant pas de graissage du pa- lier à roulement (5, 8) sont revêtues d'une couche d'isolation résistant à l'huile.