Brevet FR2638990A1 — publié le 19900518

"Procédé et dispositif de déplacement et de verrouillage d'éléments appartenant à un dispositif de serrage, mobiles les uns par rapport aux autres en direction axiale, sur un axe commun" L'invention concerne un procédé de déplace- ment et de verrouillage d'éléments appartenant à un dispositif de serrage, mobiles les uns par rapport aux autres en direction axiale, sur un axe commun, en par- ticulier des éléments d'un dispositif de serrage d'ou- til d'une broche de machine-outil, utilisant plusieurs corps de verrouillage agissant sur les corps mobiles. L'invention peut, par exemple, être avanta- geusement utilisée dans la réalisation du dispositif de serrage d'outil situé dans la broche d'une machine- outil. Les dispositifs de serrage de pièces, tant pour des pièces de révolution que pour des pièces prismati- ques, pourraient également être réalisés selon l'invention. D'une manière générale, l'invention est applicable partout o l'on doit tout d'abord amener des éléments de serrage à faible force sur l'objet à serrer et appliquer ensuite une force de serrage éle- vée à l'aide de courses de serrage des éléments de serrage aussi courtes que possible. Par le document DD 137673, il a été proposé un dispositif de serrage d'outils dans des broches, dans lequel un empilage de ressorts à disque fournit la force de serrage et des billes servant d'élément de verrouillage étant interposées entre la tige de trac- tion et la broche. Cette solution présente l'inconvé- nient que la force de serrage disponible est limitée par la force d'empilement de ressorts à disque. On ne peut accroître la force de serrage qu'en augmentant l'empilement de ressorts à disque, ce qui a pour résultat un grossissement du groupe structurel consti- tuant la broche. Un autre inconvénient consiste éga- lement en ce que les billes sont déplacées en direc- tion radiale par rapport à l'axe de broche, en vue d'obtenir le verrouillage ou le déverrouillage, ce qui nécessite de l'espace. Ce dernier inconvénient est particulièrement net dans le dispositif proposé par le document DE 2 741 166, en vue d'actionner une tête de serrage de pièces à usiner ou d'outil qui est maintenue sur une broche. Ici aussi, des billes sont utilisées comme éléments de verrouillage et déplacées à cet effet en- tre tige de serrage et broche, en direction radiale par rapport à l'axe de broche. La force de serrage émanant d'un ressort est ici tout d'abord transmise aux billes et, de celles-ci, à la tige de serrage, par l'intermédiaire d'une autre face en coin, le verrouil- lage entre tige de serrage et broche s'effectuant simultanément par l'intermédiaire d'une troisième face en coin. Le déplacement radial des billes et la forme en résultant des éléments fonctionnels du dispositif nécessitent un diamètre extérieur relativement impor- tant de ces derniers, de sorte que ce dispositif ne peut être logé dans l'espace intérieur d'une broche sans agrandir l'ensemble du groupe structurel dans sa totalité et prendre en compte les inconvénients y étant reliés. Un espace de construction supplémentaire connexe à la broche proprement dite est en outre né- cessaire. Ce prolongement de la broche est déjà désavantageux, du point de vue de la structure de la machine et agit, en outre, extrêmement défavorablement sur la qualité de l'équilibrage de la broche aux vitesses de rotation élevées de cette dernière. Toutes les solutions qui utilisent des billes ou des rouleaux comme moyen de transmission des efforts présentent, en outre, l'inconvénient notable que survient une pression hertzienne très élevée, par suite du contact purement ponctuel ou linéaire exis- tant dans cette zone entre bille ou rouleau et les autres éléments fonctionnels, ce qui agit défavorable- ment du point de vue de la rigidité du dispositif. Si l'on se réfère à un groupe structurel de broche de dimension identique, selon l'état de la technique, l'invention doit permettre une limitation du coût de fabrication et malgré tout une augmentation de sa fréquence de rotation. On doit ainsi atteindre, outre la diminution du coût du groupe structurel de la broche, une augmentation de la productivité de la machine-outil équipée d'une telle broche et une amée- lioration de résultat de l'usinage effectue sur la pièce à usiner. Le but de l'invention est de réduire les di- mensions du groupe structurel de la broche, d'augmen- ter sa rigidité et de réduire la pression hertzienne entre les éléments de verrouillage. La base de l'invention est constituée par plusieurs corps mobiles en direction axiale, sur un axe commun, pouvant être les éléments d'un dispositif de serrage d'outil d'une broche de machine-outil, pou- vant être déplacés et verrouillés les uns contre les autres, à l'aide de plusieurs corps de verrouillage agissant sur eux. Ce problème est résolu, selon l'invention, par le fait que les corps de verrouillage sont d'abord déplacés sur un tronçon qui correspond à un tronçon partiel du tronçon à parcourir par l'un des corps- mobiles et en ce qu'il leur est ensuite conféré un mouvement de forme courbe autour de l'axe des corps mobiles ou un mouvement tangentiel par rapport à un cercle imaginaire centré sur cet axe, qui est dérivé du mouvement de l'un des corps mobiles axialement sur le tronçon restant. Un dispositif de réalisation de ce procédé, réalisé sous la forme de dispositif de serrage pour des outils, disposé dans la broche d'une machine- outil, présente une tige de traction sollicitée élas- tiquement, disposée concentriquement, sur laquelle un élément d'actionnement destiné à des corps de verrouillage, sollicité par le même ressort, est dis- posé coulissant. Selon l'invention, cet élément d'ac- tionnement présente une face de coupe de cylindre creux inclinée servant de face de coin en vue de dé- placer les corps de verrouillage. Selon l'invention, la broche qui est réalisée sous la forme d'un cylindre creux est également pourvue d'une face de coupe incli- née de cylindre creux, qui sert également de face de coin pour déplacer les corps de verrouillage. Les deux faces de coupe sont.disposées dans chaque cylindre creux (broche et élément d'actionnement) de façon que leurs bords s'étendant perpendiculairement au plan de l'axe de la broche soient disposés, dans des plans circulaires se trouvant à distance l'une de l'autre en direction axiale, sur des cordes de ces cercles. Des billes peuvent être utilisées comme corps de verrouillage. Une réalisation avantageuse des corps de verrouillage prévoit, selon l'invention, des corps de forme sensiblement prismatique. Chacun de ces corps présente une face d'appui se trouvant opposée à une face inclinée de laquelle part une autre face qui est toutefois inclinée en sens inverse ou sphérique. Le corps de forme est disposé de façon que la face d'appui se trouve dans un plan s'étendant perpendicu- lairement à l'axe de la broche. Le contour de la face d'appui est déterminé par des bords droits ou des droites et des bords courbés autour de l'axe de la broche. Ces bords déterminent la forme des faces du corps de forme qui s'étendent perpendiculairement à la face d'appui et parallèlement à l'axe de la broche. Diverses autres caractéristiques de l'inven- tion ressortent de la description détaillée qui suit. Un mode de réalisation de l'invention est représenté, à titre d'exemple non limitatif, par les dessins annexés, parmi lesquels: - la figure i représente la partie d'une broche de machine-outil, avec quelques éléments du dispositif de serrage d'outil, en position desserrée, - la figure 2 représente les éléments de la figure 1, en position serrée, - la figure 3 représente une vue du plan A- A, avec les corps de forme déplacés en courbes (côté gauche de la figure 3) et les corps de forme déplacés tangentiellement (côté droit de la figure 3), à l'état desserré (en haut) et serré (en bas), - la figure 4 représente un corps de ver- rouillage à bords courbes et une face de forme sphéri- que, - la figure 5 représente un corps de ver- rouillage à bords droits et faces inclinées. La broche 1, non représentée en détail, d'u- ne machine-outil présente un espace creux coaxial 2, dans lequel une tige de traction 3 est disposée cou- lissante, cette tige étant placée en contact, par l'intermédiaire de griffes de serrage, avec l'outil à serrer dans la broche 1. Un espace annulaire 2.1 appa- raît entre la surface de la tige de traction 3 et la paroi intérieure de la broche i qui délimite l'espace creux 2, espace annulaire qu'occupe, en direction radiale par rapport à l'axe 4 de la broche 1, un élé- ment d'actionnement 5 sollicité élastiquement disposé coulissant sur la tige de traction 3. Le ressort, non représenté, qui sollicite cet élément d'actionnement 5 s'appuie, d'un côté, sur son côté tourné vers la face frontale de la broche et, de l'autre côté, sur la bro- che 1 et est également disposé dans l'espace annulaire compris entre tige de traction 3 et broche 1. Des ta- lons 6 rigidement reliés à la broche i sont de plus disposés dans l'espace creux 2 en appuyant les uns contre les autres. La pièce de forme 7 disposée cou- lissante dans l'espace creux 2 est reliée à la tige de traction 3. L'élément d'actionnement 5 présente sur ses bras s'étendant parallèlement à l'axe des évide- ments 8 et des faces de coin 9, partant de ces derniers et montant en direction du bout de la broche. Ces faces de coin 9 sont formées par une coupe incli- née dans le corps symétrique en rotation de l'élément d'actionnement 5. Elles finissent sur des faces de glissement 10 s'étendant parallèlement à l'axe, égale- ment prévues sur les bras 5.1. D'autres évidements 11 sont disposés dans les talons 6. Une face de coin 13 s'étend en partant de la face frontale 12 du talon 6 opposée au bout de la broche, jusqu'à la face frontale 14 parallèle à l'axe des évidements 11. Un corps de verrouillage 15.1 est disposé libre dans la zone de l'évidement 8 et des faces de coin 9 et 13. Ces corps de verrouillage 15.1 peuvent être de forme différente, ainsi que le montrent les figures 4 et 5. La forme n'est pas liée au détail représenté dans chacune des figures 4 et 5. Bien plus, le corps de verrouillage 15.1 peut, par exemple, présenter également des faces de coin 17 et 18 à bords 16 courbés, comme celles qui sont représentées sur le corps de verrouillage 15.2 de la figure 5, et le corps de verrouillage 15.2 à bords droits 19 représenté ici peut présenter une face cour- bée 20. Les angles a, B et y sont choisis en fonction des conditions de course et de force prévues pour le dispositif. La figure 3 représente les corps de verrouillage 15.1 et 15.2 dans leur position selon la coupe A-A des figures 1 et 2. La moitié supérieure de la représentation montre les corps de verrouillage 15.1 et 15.2 dans la position desserrée du dispositif, c'est-à-dire qu'aucun outil n'est logé dans la broche 1. Ceci correspond à la représentation de la figure 1. La moitié inférieure de la figure 3 repré- sente la position des corps de verrouillage 15.1 et 15.2 lorsque l'outil est serré dans sa position finaL le, correspondant à la représentation de la figure 2. La position respective du corps de verrouillage 15.2 est représentée dans les quadrants 1 et 4, et celle du corps de verrouillage 15.1 est représentée dans les quadrants 2 et 3. Pour des raisons d'ordre technologi- que, un dispositif selon l'invention est déterminé soit avec des corps de verrouillage 15.1, soit avec des corps de verrouillage 15.2. Cette représentation permet de distinguer le sens de déplacement des corps de verrouillage 15.1 et 15.2. Tandis que les corps de verrouillage 15.1 se dé- placent sur une trajectoire courbe, qui est le cas échéant circulaire, les corps de verrouillage 15.2 adoptent une course droite tangentielle. Les figures 1 et 2 représentent l'agencement des corps de verrouillage 15.1. On voit que ces der- niers appuient par leur face d'appui 16.1 sur la face frontale 23 de la pièce de forme 7 qui est tournée vers le bout de la broche et, par leur face courbe 20, sur le bord 26 situé entre face de coin 9 et évidement 8. A la figure 1, la surface d'appui 19.1 du corps de verrouillage 15.2 se décolle de la face fron- tale 23 et sa face de coin 18 se décolle du bord 26. Dans l'état de la figure 2 (outil serré), la face de coin 17 est en contact avec la face de coin 9. Le déroulement du fonctionnement du disposi- tif est le suivant: La figure 1 représente un dispositif de serrage d'outil réalisé selon l'invention, le serrage de l'outil étant supprimé. On obtient ceci en faisant agir une force sur les faces frontales 24 de l'élément d'actionnement 5, en direction du bout de la broche (par exemple avec un vérin hydraulique, non représen- té) et l'élément d'actionnement 5 se déplace en direc- tion du bout de la broche, contre la force du ressort déjà mentionné et qui n'est pas représenté non plus, vers la droite en figure 1. Sur une partie de la cour- se de l'élément d'actionnement 5, par la même force que celle qui agit sur la face frontale 25, la pièce de forme 7 reliée à la tige de traction 3 et ainsi également la tige de traction 3 se déplacent en direc- tion du bout de la broche, à savoir jusqu'à ce que la pièce de forme 7 appuie sur le talon 6. Cet état est représenté à la figure 1. Le corps de verrouillage 15.1 s'y trouve dans l'évidement 8 de l'élément d'ac- tionnement 5. Le dispositif est prêt au serrage d'un outil. Si l'outil à serrer est introduit dans la 26389o0O broche de la machine, la force qui agit sur les faces frontales 24 et 25 est supprimée. Le ressort, non re- présenté, agissant entre la broche i et l'élément d'actionnement 5 peut maintenant déplacer l'élément d'actionnement 5 en sens opposé, donc en s'éloignant du bout de la broche. Le corps de verrouillage 15.1 qui est situé dans l'évidement 8 est déplacé conjoin- tement et, du fait qu'il est passé d'un côté dans le talon 6, comme le montre la figure 1, et qu'il appuie de l'autre côté par sa face d'appui 16.1 sur la pièce de forme 7, la face frontale 23, il entraîne sur sa course en direction axiale la pièce de forme 7 et la tige de traction 3 reliée à celle-ci, jusqu'à ce que la queue de l'outil appuie dans le cône de la broche. Un mouvement axial important de la tige de traction 3 n'est possible dans le cadre de l'élasticité des élé- ments concernés. A ce moment, le corps de verrouillage 15.1 s'est déplacé jusqu'à ce que son bord 16.3 ait quitté la face de guidage située sur le talon 6 et soit située dans l'espace situé devant la face de coin 13. La force élastique continuant à agir sur l'élément de fixation 5 et continuant à déplacer celui-ci en di- rection axiale a pour conséquence que le corps de verrouillage 15.1 reçoit du bord 26 sur leqtel appuie sa face courbée 20 une impulsion de déplacement diri- gée en direction de la face de coin 13. Il se déplace jusqu'à ce que sa face inclinée 21 soit en butée sur la face en coin 13. Sa face courbée 20 glisse alors sur la face de coin 9.- L'élément d'actionnement 5 qui est de plus situé sous l'effet élastique pousse sa face de coin 9 sous le corps de verrouillage 15.1 et celui-ci, pour autant que l'élasticité de tous les éléments concernés l'admette, dans l'interstice exis- tant entre talon 6 et pièce de forme 7. La tige de traction 3 reliée à la pièce de forme 7 est, de ce fait, coincée par rapport à la broche 1 reliée au ta- lon 6. L'outil tiré, par l'intermédiaire d'éléments de prise, par la tige de traction 3 dans le cône de la broche 1 est alors serré avec une force élevée. Si le dispositif selon l'invention est équi- pé des corps de verrouillage 15.2, le déroulement du fonctionnement est identique. Seul le mouvement des corps de verrouillage 15.2 s'effectue lorsque le bord actif 26 n'est pas sur une trajectoire courbée, mais au contraire sur une trajectoire droite, ainsi que le représente la figure 3. Le procédé selon l'invention et le disposi- tif correspondant procurent tout d'abord l'avantage que le diamètre de la broche peut être choisi plus petit, du fait que le déplacement des corps de ver- rouillage, nécessaire au fonctionnement, ne s'effectue pas en direction radiale par rapport à l'axe de la broche. La masse de la broche est ainsi plus petite, ce qui a un effet avantageux sur l'entraînement et la dynamique de la broche. La réalisation des corps de verrouillage en corps de forme comprenant des faces réduit la pression hertzienne entre les faces de contact, de sorte que la rigidité du dispositif est accrue, rien que pour cela. R E V E N D I C A T ION S 1') Procédé de déplacement et de verrouilla- ge d'éléments appartenant à un dispositif de serrage, mobiles les uns par rapport aux autres en direction axiale, sur un axe commun, en particulier des éléments d'un dispositif de serrage d'outil d'une broche de ma- chine-outil, utilisant plusieurs corps de verrouillage agissant sur les corps mobiles, caractérisé en ce que les corps de verrouillage sont d'abord déplacés sur un tronçon qui correspond à un tronçon partiel du tronçon à parcourir par l'un (5) des corps mobiles et en ce qu'il leur est ensuite conféré un mouvement de forme courbe autour de l'axe (4) des corps mobiles (5, 7) ou un mouvement tangentiel par rapport à un cercle imagi- naire centré sur cet axe (4), qui est dérivé du mouve- ment de l'un (5) des corps mobiles axialement sur le tronçon restant. 2') Dispositif pour réaliser le procédé se- lon la revendication 1, en vue de serrer un outil ou des pièces à usiner dans une broche d'usinage, en par- ticulier d'une machine-outil, dispositif présentant une ouverture de réception, en particulier conique, destinée à la queue de l'outil ou de la pièce à usi- ner, une tige de traction disposée concentriquement, un élément d'actionnement, coulissant sur cette tige de traction, à l'intérieur de la broche, destiné aux corps de verrouillage disposés entre des surfaces de coin inclinées les unes contre les autres et en direc- tion axiale, et un élément élastique qui est fix6, d'un côté, sur la broche et, de l'autre côté, sur l'élément d'actionnement, l'une des surfaces de coin étant reliée à l'élément d'actionnement et l'autre étant reliée à la broche, caractérisé en ce que l'on prévoit comme surface de coin (9) une partie d'une surface de coupe inclinée de l'élément d'actionnement (5) réalisé sous la forme de cylindre creux et comme autre surface de coin (13) une partie d'une surface de coupe inclinée de la broche (1) réalisée sous la forme d'un cylindre creux, les bords des surfaces de coin (9, 13), s'étendant perpendiculairement par rapport au plan axial de la broche (1), étant chacun disposés sur les cordes d'anneaux circulaires imaginaires, concen- triques à l'axe (4), se trouvant mutuellement espacés en direction axiale. 3') Dispositif selon la revendication 2, ca- ractérisé en ce que des corps de forme sont prévus comme corps de verrouillage (15.1, 15.2), dont chacun présente une face d'appui (16.1, 19.1) disposée per- pendiculairement à l'axe (4) de la broche (1) et une face inclinée (21, 22) opposée à celle-ci en direction axiale, ainsi qu'une autre face (18, 20), inclinée en sens inverse ou sphérique, s'étendant en partant de cette face inclinée (21, 22), en direction de l'axe (4) de la broche (1), le contour de la face d'appui (16.1, 19.1) comportant soit uniquement des bords droits (19) soit des bords droits (16.2) et des bords (16) incurvés en forme de courbe autour de l'axe (1).