Brevet FR2650352A1 — publié le 19910201

i Ensemble-broche à palier à gaz mis extérieurement sous pression Lta présente invention concerne les ensembles-broche à palier à gaz mis extérieurement sous pression, dans lesquels la broche est sup- portée, sans contact avec le palier, grâce à l'introduction d'un gaz comprimé dans un jeu de palier situé entre la broche et le palier. Un palier à gaz mis extérieurement sous pression peut supporter une broche sans contact entre eux, grâce à l'introduction d'un gaz comprimé par l'intermédiaire d'ajutages d'étranglement, dans un jeu étroit de palier qui est ménagé entre la broche et le palier. Etant donné que ce type de palier est avantageux par comparai- son avec n'importe quel autre palier du fait d'une faible perte par frot- tement et d'une durée de vie prolongée, il convient pour être utilisé en tant que palier pour une broche à vitesse élevée, par exemple d'une rectifieuse, d'une foreuse destinée h réaliser des perages de petit diamètre, de machines servant à usiner un matériau fragile ou de machines analogues. La figure 5 représente un ensemble-broche classique utilisant des paliers à gaz mis extérieurement sous pression. Cet ensemble-broche comprend une broche 2 montée dans un boîtier 1. Cette broche 2 est supportée, en étant hors de contact avec les surfaces de palier, par quatre paliers à charge'radiale 5 à 6 et par deux paliers de butée 8 et 9 qui se font face et entre lesquels est prise en sandwich une collerette 7 de la broche 2. Dans les paliers à charge radiale 3 à 6 et les paliers de butée 8 et 9, il est ménagé des ajutages d'étranglement respectivement il et 12 servant à l'introduction de gaz et communiquant avec un passage d'alimen- tation en air comprimé 10 qui est ménagé dans le boîtier 1. Du fait de l'introduction d'un gaz comprimé dans les jeux de palier, la broche 2 peut être supportée sans contact dans le sens radial, ainsi que suivant la direction des charges axiales. Chaque jeu de palier communique avec l'atmosphère par l'intermédiaire de passages d'échappement 13 à 16. Dans Xe mode de réalisation représenté, la broche 2 est entral- née directement par un rotor 17a et un stator 17b d'un moteur 17 monté à l'extrémité arrière de la broche. Elle peut être entraînée d'une manière indirecte, par l'intermédiaire d'une courroie ou d'un accouplement, à partir d'une autre source d'entraînement prévue à l'extérieur du bottier. Si la broche 2 ne tourne pas bien rond sous l'effet d'une force excitatrice due à un défaut d'équilibrage de la broche ou sous l'effet de vibrations transmises à partir de la source d'entraînement, cela peut provoquer des erreurs dans la forme de la surface usinée, ainsi qu'une rupture de l'outil. Si l'amplitude d'un tel faux-rond croit encore, la broche peut venir au contact de la surface de palier, endommageant ainsi celle-ci. C'est pourquoi il a jusqu'à présent été considéré comme impor- tant qu'un palier à gaz mis extérieurement sous pression possède une rigidité aussi élevée que possible afin d'accroître sa fréquence natu- relle, et de rendre ainsi possible son utilisation à une vitesse infé- rieure à cette fréquence naturelle, et afin de maintenir à un minimum le faux-rond de la broche. Dans la pratique, en vue d'accroître la rigidité, on a disposé sur une longueur limitée un grand nombre de paliers possédant un rapport rigidité/longueur de palier qui est important, ainsi que cela est repré- senté à la figure 5. Si on obtient une rigidité suffisante avec un plus petit nombre de paliers, on omet parfois les paliers dans la partie centrale de la broche. La figure 6 représente la relation existant entre le rapport K/L et le rapport L/D pour un ensemble-broche qui présente un diamètre de broche de 30 mm, comporte huit ajutages, disposes en deux rangées et pré- sentant un diamètre de trou d'ajutage de 0,3 mm, et offre un jeu de palier de 12 micromètres et une pression d'alimentation en gaz (pression au manomètre) de 5 kgf/cm2, K étant la rigidité, L la longueur du palier à charge radiale et D le diamètre de la broche. Ainsi que le montre la figure 6, plus le rapport L/D est faible, plus le rapport K/L est élevé. C'est pourquoi on a jusqu'à présent utilisé pour une seule broche plusieurs paliers possédant un rap- port L/D de 0,5 à 2. Cependant, avec un tel ensemble-broche de la technique anté- rieure, ce n'est que dans une certaine limite qu'il est possible d'aug- menter la fréquence naturelle en accroissant la rigidité. Si on utilise cet ensemble-broche à une vitesse de rotation supérieure à sa fréquence naturelle, il est nécessaire de réaliser un équilibrage in situ présen- tant une bonne précision. Si on fixe un outil ou élément analogue sur la tête de la broche, il est nécessaire de rétablir l'équilibrage in situ chaque fois qu'il se produit un défaut d'équilibrage, fût-il faible, lorsqu'on monte ou démonte l'outil. Dans le cas contraire, il serait difficile de faire tourner la broche à une vitesse supérieure à la fréquence naturelle. Un tel travail d'équilibrage in situ exige des mains expertes et beaucoup de travail. Cela élève les coûts et gêne la productivité. Par ailleurs, c'est sans efficacité qu'un utilisateur de l'ensemble-broche ajuste l'équilibrage in situ sur le lieu de travail. Pour les raisons décrites ci-dessus, il a été très difficile d'utiliser un ensemble-broche de la technique antérieure à une vitesse élevée de rotation. C'est pourquoi la présente invention a pour but de fournir un ensemble-broche, comportant un palier à gaz mis extérieurement sous pres- sion, qui puisse empêcher la broche de ne pas tourner bien rond et qui n'exige pas d'équilibrage in situ. A cet effet, l'invention a pour objet un ensemble-broche, caractérisé en ce qu'il comprend une broche et un palier à charge radiale qui est unique et présente une largeur importante de palier destinée à supporter la broche et en ce que, dans ce palier à charge radiale, il est ménagé, à proximité de l'une et l'autre de ses deux extrémités, plusieurs ajutages d'étranglement disposés d'une manière circonférentielle et servant à introduire un gaz comprimé dans un jeu existant entre la broche et le palier à charge radiale. Le palier à charge radiale, unique, est un palier à gaz mis extérieurement sous pression et, du fait de la présence des ajutages d'étranglement servant à l'introduction de ce gaz, la broche peut être supportée sans toucher la surface de palier. Cela accroît d'une manière remarquable le coefficient d'amortissement et empêche la broche de ne pas tourner bien rond au cours d'une rotation à vitesse élevée. Grâce à l'invention, du fait que, sur la base des résultats du calcul, il est dûment tenu compte du coefficient d'amortissement qui a jusqu'à présent été ignoré, on utilise un palier à charge radiale qui est unique et présente une largeur de palier importante et dans lequel sont ménagés, à l'une et l'autre de ses deux extrémités axiales, plusieurs ajutages d'étranglement'servant à introduire du gaz et disposés d'une manière circonférentielle. Cela accroît d'une manière remarquable le rapport coefficient d'amortissement/rigidité du palier. Ce résultat amé- liore lui-même la précision du faux-rond de la broche au cours d'une rotation à vitesse élevée. Par ailleurs, s'il n'est pas besoin d'une précision de faux- rond de la broche qui soit supérieure à celle de l'ensemble de la techni- que antérieure, on peut abaisser la précision de l'ajustement du défaut d'équilibrage de la broche afin de réduire les opérations telles que l'équilibrage in situ. Etant donné qu'il n'est prévu qu'un seul palier à charge radiale, il devient possible de réduire le nombre de pièces et le nombre de perçages très petits, tels que les ajutages d'étranglement servant à l'introduction du gaz, de simplifier l'agencement du passage d'alimenta- tion/échappement et de réduire le nombre des opérations de fabrication. En réduisant le nombre d'ajutages d'étranglement prévus pour l'introduc- tion du gaz servant au support de la broche, la partie constituée par le palier consomme une quantité moins importante de gaz comprimé. D'autres particularités et avantages de l'invention ressorti- ront de la description qui va suivre, à titre d'exemples non limitatifs et en regard des dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une vue en coupe verticale d'un premier mode de réalisation d'un ensemble-broche conforme à l'invention, la figure 2 est une vue en coupe verticale d'un second mode de réalisation, la figure 3 est une vue en coupe verticale d'un troisième mode de réalisation, la figure 4 est un schéma permettant d'exposer un modèle vibra- toire, la figure 5 est une vue en coupe verticale d'un ensemble- broche, è palier à gaz mis extérieurement sous pression, qui appartient à la technique antérieure, la figure 6 est un graphe représentant la relation existant entre la longueur, le diamètre et la rigidité du palier à charge radiale et la figure 7 est un graphe représentant la relation existant entre le coefficient d'amortissement par unité de longueur du palier et la longueur et le diamètre de ce palier. Les modes de réalisation de 1-a présente invention vont être décrits en se reportant aux figures 1 à 4 et 7. En étudiant l'influence de la rigidité et du coefficient d'amortissement sur le déplacement produit par une force excitatrice due à un défaut d'équilibrage dans un modèle vibratoire, les inventeurs ont constaté qu'il conviendrait de mettre plus le poids sur le coefficient d'amortissement que sur la rigidité. C'est pourquoi l'ensemble-broche conforme à l'invention comporte une partie constituant le palier qui présente un rapport élevé du coefficient d'amortissement à la rigidité. Considérons le mouvement vibratoire se produisant dans un système palierbroche d'un ensemble-broche, système qui est simulé à l'aide d'un modèle vibratoire qui est représenté à la figure 4 et qui comprend une masse ponctuelle 21 de masse m, un ressort 22 de constante élastique K et un amortisseur de vibrations 25 de coefficient d'amortis- sement C. La masse ponctuelle 21 correspond à la masse de la broche ou à son moment d'inertie et le ressort 22 et l'amortisseur de vibrations 23 correspondent respectivement à la rigidité k et au coefficient d'amortis- sement des parties constituant le palier. Si une force excitatrice d'amplitude F et de fréquence angulaire cJ agit sur la masse ponctuelle 21, l'équation de mouvement de cette masse ponctuelle s'exprime de la manière suivante: mx + C; + kx = F cos u t (1) x étant le déplacement de la masse ponctuelle et t le temps. En résolvant l'équation (1) de façon à obtenir l'amplitude XF de la masse ponc- tuelle, il vient: XF = F/ *(k - m.02)2 + c2 >)2 (2) Si la force excitatrice>est produite sous l'effet d'un défaut d'équilibrage de la broche, la fréquence de cette force excitatrice est égale au nombre de tours de la broche par unité de temps. Son amplitude est donnée par: F = u,02 u étant la valeur du défaut d'équilibrage de la broche. De ce fait, l'am- plitude Xu est donnée par: Xu = uu)2 / (k - m,)2)2 + c2uJ2 (3) Etant donné que la fréquence naturelle cO du modèle vibratoire est Vk/m, l'amplitude du faux-rond due à un défaut d'équilibrage est donnée par l'équation (4) suivante, obtenue en introduisant J= k-/m dans l'équation (3): Xu = u / [c2 = u7/ J. 7 (4) Ainsi, si la fréquence -naturelle est égale à la vitesse de rotation, le faux-rond dû au défaut d'équilibrage broit avec la rigidité de la partie constituant le palier. Par ailleurs, si West supérieur à la fréquence naturelle VkIm, parce que k constantes. De la sorte, les dénominateurs des équations (2) et (3) dimfi- nuent. En d'autres termes, même si la force excitatrice présente une fréquence supérieure à la fréquence naturelle, plus la valeur de k est grande, plus le degré du faux-rond est important. Ainsi qu'il ressort de la description qui précède, si la vitesse de rotation au cours d'une utilisation réelle est supérieure à la fréquence naturelle du système broche-palier, il est impossible d'empê- cher la broche de ne pas tourner bien rond avec la structure classique dans laquelle la partie constituant le palier possède une rigidité accrue. En ce qui concerne le coefficient d'amortissement du palier, il ressort de l'équation (4) que, plus le coefficient d'amortissement c est grand, plus le degré de faux-rond dû au défaut d'équilibrage est faible. Il en est de même pour les dénominateurs des équations (2) et (3), étant donné que le coefficient d'amortissement c y est multiplié par la fréquence excitatrice cJ. Ceci signifie que le faux-rond de la broche peut être limité d'une manière plus efficace en réduisant la rigidité, tout en accroissant le coefficient d'amortissement, alors que la broche tourne à une vitesse supérieure à la fréquence naturelle. La figure 7 représente la relation existant entre le rapport C/L (coefficient d'amortissement par unité de longueur) et le rapport L/D, étant supposé que les dimensions du palier soient les mêmes qu'à la figure 6. Il ressort de cette figure 7 que le rapport C/L croît avec le rapport L/D. Le taux d'accroissement diminue cependant une fois que le rapport L/D est devenu supérieur à. 3. Conformément à l'invention, les résultats ci-dessus sont appliqués à une broche présentant une longueur finie et on utilise un palier à charge radiale qui est unique et présente une largeur de palier importante. Par ailleurs, plusieurs ajutages d'étranglement servant à l'introduction de gaz sont disposés d'une manière circonférentielle, suivant deux rangées situées au voisinage de l'une et l'autre des deux extrémités du palier. La figure 1 représente un premier mode de réalisation, conforme à l'invention, dans lequel une broche 32, montée dans un boîtier 31, est supportée sans contact par un palier à charge radiale 33 à gaz mis exté- rieurement sous pression, en forme de manchon et unique, et par deux paliers de butée 35 et 36 à gaz mis extérieurement sous pression, qui sont disposés face à face et entre lesquels est prise en sandwich une collerette 34 de la broche 32. Plusieurs ajutages d'étranglement 37 servant à l'introduction de gaz sont disposés d'une manière circonférentielle, en deux rangées situées 'à proximité de l'une et l'autre des deux extrémités du palier à charge radiale 33. Du gaz comprimé est introduit par un passage d'alimen- tation en gaz comprimé 39, ménagé dans le boîtier 31, et par les ajutages d'étranglement 37 et des ajutages d'étranglement 38 servant à l'introduc- tion de gaz et ménagés dans les paliers de butée 35 et 36 h gaz mis extérieurement sous pression, de façon à supporter la broche 32 sans contact. Dans le mode de réalisation représenté, la broche 32 est entraînée directement par un rotor 40a et un stator 40b d'un moteur 40 et le jeu de palier communique avec l'atmosphère par l'intermédiaire de pas- sages d'échappement 41 à 43. Etant donné que le palier à charge radiale 33 se présente sous la forme d'un manchon unique possédant une largeur de palier importante et qu'il y est ménagé, à proximité de l'une et l'autre de ses deux extré- mités, des ajutages d'étranglement 37 servant à l'introduction de gaz, le rapport coefficient d'amortissement/rigidité du palier croit d'une manière remarquable. De ce fait, le coefficient d'amortissement est de beaucoup plus élevé que dans l'ensemble-broche classique. Cela permet d'empêcher la broche de ne pas tourner bien rond au cours d'une rotation à vitesse élevée. Etant donné que la palier h charge radiale 33 se présente sous la forme d'un manchon unique, ce manchon de palier doit être plus long que dens les paliers classiques. C'est pourquoi il est parfois très difficile de prévoir l'un des paliers de butée à l'une des extrémités du palier à charge radiale 33 de façon qu'il soit d'une pièce avec ce palier b charge radiale et de forer des perçages d'attaque pour les ajutages d'étranglement suivant une direction axiale, comme cela est le cas pour l'exemple de la technique antérieure qui est représenté à la figure 5. Afin d'éviter cette situation dans le premier mode de réalisa- tion de la figure 1, le palier de butée 36 est distinct du palier h char- ge radiale 33. Toutefois, bien qu'une telle structure soit facile à fabriquer, le palier à charge radiale 33 est plus court d'une longueur correspondant à la longueur des paliers de butée. Par ailleurs, étant donné que la masse d'une plaque de butée et le rotor du moteur font sail- lie d'une longueur encore plus importante par rapport à l'extrémité du palier b charge radiale 33, il devient difficile de limiter le faux-rond de la broche en mode conique. Ce problème est résolu dans le deuxième mode de réalisation, représenté à la figure 2, dans lequel l'un des paliers de butée 36a est prévu à l'une des extrémités du palier à charge radiale 33 de façon à être d'une pièce avec celui-ci, et dans lequel des perçages d'attaque 38a pour les ajutages d'étranglement 38 servant à l'introduction de gaz sont ménagés dans ce palier de butée 36a suivant une direction radiale. La figure 3 représente le troisième mode de réalisation dans lequel une turbine à air est utilisée comme source d'entraînement poor la broche 32, de sorte que l'ensemble peut être utilisé pour un pulvéri- sateur électrostatique ou appareil analogue. Les mêmes éléments que ceux du premier mode de réalisation représenté à la figure 1 sont désignés par les mêmes références et leur description est omise. A la figure 3, la broche 32 est supportée par un palier à charge radiale 33, à gaz mis extérieurement sous pression, en forme de manchon et monté dans un boîtier 31 et, sur son extrémité arrière, il est prévu, réalisée d'une pièce avec elle, une collerette de grand diamètre 51 sur la surface périphérique extérieure de laquelle sont ménagées des aubes de turbine 52 disposées d'une manière circonférentielle et desti- nées à recevoir de l'air comprimé. La broche 32 est entraînée en rotation à une vitesse élevée grâce au soufflage, sur ces aubes de turbine 52, d'air introduit par un raccord d'alimentation en air 53 ménagé dans le boîtier 31. Du gaz comprimé est envoyé du raccord d'alimentation en air 53 aux ajutages d'étranglement 38 servant à l'alimentation en gaz et prévus sur l'un et l'autre des côtés de la collerette de grand diamètre 51, de façon à supporter la broche 32 sans contact, suivant la direction de poussée axiale, à l'aide du gaz comprimé qui agit sur l'un et l'autre côtés de la collerette 51. Etant donné qu'une turbine à air est utilisée comme source d'entrainement pour la broche 32 dans le troisième mode de réalisation, la taille de l'ensemble complet peut être réduite par comparaison avec le cas o un moteur est utilisé. Dans le mode de réalisation représenté à la figure 3, le gaz est envoyé à la turbine à air et au palier par l'intermédiaire du raccord d'alimentation 53 unique qui leur est commun. On peut toutefois prévoir des raccords distincts. Par ailleurs, dans le cas de la figure 3, un palier à charge radiale, en forme de manchon et unique, est monté dans le boîtier 31. Toutefois, le manchon 33 peut être divisé en plusieurs parties cylindri- ques qui peuvent être introduites dans le bottier avec leurs faces extrê- mes adjacentes en butée l'une sur l'autre, grâce à un emboîtement à force ou à un emboîtement à retrait, de façon à former un palier à charge radiale qui soit unique. 1u REVENDICATION Ensemble-broche, caractérisé en ce qu'il comprend une broche (32) et un palier à charge radiale (33) qui est unique et présente une largeur importante de palier destinée à supporter la broche (32) et en ce que, dans ce palier à charge radiale (33), il est ménagé, à proximité de l'une et l'autre de ses deux extrémités, plusieurs ajutages d'étran- glement (37) disposés d'une manière ciroonférentielle et servant à intro- duire un gaz comprimé dans un jeu existant entre la broche (32) et le palier à charge radiale (33).