Brevet FR2658747A1 — publié le 19910830

L'invention concerne des plateaux de rodage pour macnines a roder plan et des machines de rodage equipees de tels plateaux. La réalisation de surfaces très planes de Y grande qualité nécessite généralement l'utilisation de la technique du rodage. Le rodage est une opération d'usinage dans laquelle l'enlèvement de matière est obtenu à l'aide d'un abrasif (carbure de silicium, alumine, diamant, etc) en ru suspension dans un fluide (eau, huile, pétrole, etc) déposé sur une surface (plateau) animée d'un mouvement relatif vis-à-vis de celle des pièces à roder Le déplace- ment des particules d'abrasif par rapport à la surface des pièces provoque l'enlèvement de matière, tandis que le liquide suspensif qui peut être complété d'un liquide lubrifiant favorise la coupe, permet l'évacuation des débris de rodage, abaisse le frottement direct entre la surface du plateau et la surface des pièces et permet la dissipation des calories dégagées par la coupe Une -ô pression appliquée à l'arrière des pièces à roder permet de moduler la vitesse d'enlèvement de matière. La qualité de la planéité obtenue à la surface des pièces est directement liée à la planéité du plateau utilisé comme support de rodage, et au rapport entre le dû diamètre des pièces et le diamètre du plateau de rodage. Les machines à roder plan sont construites de manière à ce que la trajectoire des pièces à la surface du plateau soit la résultante de la combinaison de deux mouvements circulaires: la rotation du plateau autour de son axe, et la rotation des pièces par rapport à des axes perpen- diculaires a la surface du plateau et décalés vis à vis du centre de celui-ci. Les pièces sont placées en vrac ou dans des u Splaques circulaires alvéolées, à l'intérieur d'anneaux généralement métalliques qui permettent le confinement de leur déplacement à la surface du plateau Un disque mec-ailique repose (avec parfois l'intermédiaire d'un feutre) sur la face arrière des pièces et leur transmet la pression développée par un vérin ou une série de poids. Les anneaux sont distribués angulairement autour de l'axe du plateau à égales distances de son axe Ils sont genéralement au nombre de 3 ou 4, leurs axes étant fixes par rapport à celui du plateau et situés sur des rayons à us (trois anneaux) ou 9 QO (quatre anneaux> Le mouvement de rotation des anneaux peut être obtenu librement entraînement par la force résultante des forces de frottement différentielles générées par les vitesses linéaires relatives des pièces par rapport au _ centre du plateau, de façcon forcée: entraînement par un moteur ou par une roue dentée entraînée par le plateau et engrenant dans une denture taillée dans le pourtour des anneaux. Dans le cas de rodage fin de pièces en -. matériaux durs (céramiques) o l'on recherche des planéités de l'ordre, ou meilleure que 0,6 Mm et une rugosité de l'ordre, ou meilleure que 0,25 gm Ra, les plateaux de rodage comportent à leur surface un sillon en forme de spirale (de pas et de géométrie constants) qui permet l'évacuation rapide des débris de rodage évitant ainsi la formation d'un film épais entre les pièces et le plateau qui pourrait nuire à la planéité. Différentes machines disponibles sur le marché mondial utilisent les principes décrits précédemment 3 i (SPEEDFAM, PETER WOLTERS, STAHLI) On conçoit qu'avec une telle disposition, un arrangement correct des pièces à l'intérieur des anneaux permet que celles-ci balayent la totalité de la surface du plateau et tendent à l'user dans son ensemble. Toutefois, cette disposition est suffisante lorsque l'on ne recherche pas une planéité très précise, mais elle s'avère insuffisante dès lors que l'on veut ovzenir en grandes séries une planéité précise Dans ce cas, il est nécessaire de maintenir plan le plateau de ro-age et de compenser les phénomènes d'usure différen- tielle au'il subit (creusement du plateau). Pour éviter l'usure irrégulière du plateau, plusieurs méthodes sont utilisées: inversion à intervalles réguliers du sens de rotation i.forcée) des anneaux par rapport à la surface du plateau, lu précontrainte en bombé du plateau que l'on libère au fur et à mesure de son creusement, positionnement réglable de l'axe de rotation de chaque anneau par rapport au centre du plateau. Mais il est apparu que toutes ces méthodes sont 1 peu efficaces et surtout peu productives Si l'on peut partiellement compenser ou ralentir l'usure différentielle du plateau, c'est au prix de manipulations coûteuses, ménératrices de temps morts, et nécessitant un personnel très qualifié effectuant régulièrement des contrôles sur Su les plateaux. L'invention a pour objet de pallier les inconvénients précités, grâce à une géométrie du plateau qui se prête spontanément à une usure régulière dans les conditions d'emploi précitées. Elle propose à cet effet, une machine à roder comportant un plateau de rodage adapté à tourner autour d'un axe principal et présentant une surface utile de rodaae de forme annulaire comprise entre un cercle interne et un cercle externe et dans laquelle est taillé un sillon 0 en spirale, au moins un anneau de confinement disposé au moins en quasitotalité en regard de la surface utile annulaire en étant adapté à tourner autour d'un axe fixe parallèle à l'axe principal, cet anneau étant destiné à conrenir des pieces a roder et à en confiner le déplacement X} externe et le taux de portance, maximal, sensiblement à mi- chemin entre ces cercles, le taux de portance est supérieur à un seuil minimum de 2 z S 57. l'anneau est monté libre en rotation autour de son axe, cet anneau de confinement fait partie d'une pluralité d'anneaux de confinement identiques régulièrement dis- tribués angulairement autour de l'axe principal à égales distances de celui-ci. L Tinvention propose également un plateau de vu rotage, adapté à être intégré à une telle machine à roder. comportant une surface utile annulaire comprise entre un cercle interne et un cercle externe, dans laquelle est taille un sillon en spirale, caractérisé en ce que le pas de ce sillon est variable, étant tel que, entre ces cercles dû à distance de ceux-ci, le taux de portance % de ce plateau à une distance R du centre du plateau, défini par le rapport entre la dimension radiale de la partie pleine du pas ^ la dimension totale de ce pas, est dans un rapport au moins approximativement constant, indépendant de cette distance R avec l'amplitude d'un arc de rayon égal à cette A distance R, coaxial à ce plateau, intercepté intérieurement par un cercle arbitraire en regard de la surface utile annulaire approximativement tangent auxdits cercles. De manière préférée: ce cercle arbitraire déborde légèrement radialement de parc ec d'autre de la surface utile annulaire, -1 ce cercle arbitraire a un diamètre valant entre 101 et X de la distance entre ces cercles interne et externe, le taux de portance auprès du cercle interne est compris encre le taux de portance minimal, auprès du cercle excerne et le taux de portance, maximal, sensiblement à mi- cnemin entre ces cercles. le taux de portance est supérieur à un seuil minimum de _ 5 E. Des objets, caractéristiques et avantages de u O l'invention ressortent de la description qui suit, donnée à titre d'exemple non limitatif, en regard des dessins annexes sur lesquels: la figure 1 est une vue partielle de dessus d'une machine à roder, sans disques de pression. la figure 2 en est une vue verticale en coupe se on la ligne Il-II de la figure 1 passant par l'axe de rotation du plateau de rodage et l'axe de rotation d'un des anneaux de confinement, la figure 3 est une vue schématique de dessus du plateau de rodage et d'un anneau, la figure 4 est un graphique montrant la corrélation entre le taux de portance du plateau et la longueur d'arc intercepté par l'anneau en diverses di- stances par rapport à l'axe, les figures 5 SA à 5 C sont des vues partielles en coupe du plateau, en une portion radialement interne, en une portion centrale et en une portion radialement externe de celui-ci. Les figures 1 à 3 représentent conjointement les principaux éléments d'une machine à roder notée 1 dans son ensemble. Cette machine comporte un plateau 2 entraîné en rotation autour d'un axe X-X, en pratique vertical, par tout moyen d'entraînement connu approprié schématisé en 3 dans son ensemble. Ce plateau comporte une portion utile annulaire È, couramment appelée "bandeau", délimitée par un cercle extérieur de diamètre D O et par un cercle intérieur de diamètre D 1. Contre cette surface annulaire utile sont appliquées des pièces à roder 100, par exemple des pastilies cylindriques en céramique, disposées à l'inté- rieur d'anneaux 5, ici au nombre de trois, décalés angulairement de 120 e les uns par rapport aux autres. Pour des raisons de lisibilité de la figure 2, les pièces qui y sont représentées sont largement distantes les unes des autres En pratique, elles sont plutôt contigues ainsi que cela est schématisé à la figure 1. Ces anneaux, adaptés à tourner autour de leurs axes, sont fixes, parallèles à l'axe X-X, notés YO-YO, *-5 Y>-Yz et Y 3-Y, distants d'une même distance H vis à vis de l'axe X-X. Si DR est le diamètre interne des anneaux et d le diamètre des pièces, on a Dr, _ DA 2 + d Ces anneaux confinent le déplacement des pièces sur la surface libre du plateau, entre les cercles de _ diamètres Do et Dm. La pression d'application des pièces 100 contre la surface utile du plateau leur est transmise par des disques de pression 6 généralement munis d'une couche de zeutre coaxiaux à ces anneaux, soumis à la poussée P de vérins ou poids non représentes Le maintien en position de ces disques participe en soi au maintien en position des anneaux. En pratique, le plateau 2 est disposé dans une ouverture circulaire ménagée dans une table de travail 8 donn la surface supérieure affleure la surface utile du plateau ce qui permet un chargement et un déchargement wt aise des pièces sur le plateau ou vers l'extérieur de celui-ci, par simple glissement. Ces dispositions, classiques en soi, ne seront pas ici détaillées plus avant. De manière également classique, un sillon en spirale 10 est ménagé dans la surface utile du plateau. Mais à la différence des solutions classiques, le pas de ce sillon n'est pas constant mais varie pour maintenir constant, pour chaque valeur de la distance à l'axe X-X, le rapport entre la surface de pièce à roder et la surface de plateau en regard. Ce choix résulte de l'analyse approfondie des causes de l'usure différentielle des plateaux connus à sillon à pas constant. On a pu ainsi constater que l'usure est la combinaison de deux phénomènes: une usure plus importante du bandeau au fur et à mesure que l Yon va de Do vers Dm (vers le centre du plateau) creusement du plateau; une usure plus importante de la zone centrale du bandeau 0 Dar rapport à ses bords avec usure maximum à proximité de la zone contenant l'axe des anneaux. Ceci peut s'expliquer comme suit. Tout d'abord la quantité de matière du plateau est moins importante en son centre par rapport à sa % 5 périphérie vis-à-vis des pièces situées le long des anneaux: en effet, aux limites pour une bande de plateau de largeur dx, on a une surface de: n D 1 dx au bord interne du bandeau x Do dx au bord externe du bandeau pour une même surface de pièces en regard Ensuite, la quantité de pièces est plus importante au centre des anneaux qu'à leur périphérie (du fait de la forme cir- culaire des anneaux) En effet, une bande circulaire de plateau de diamètre D ayant pour centre le centre du plateau, telle que Di D 2 + D O que lorsque D Do ou D Dm. Dans la suite on appellera: i le pasdu sillon 10 à la distance R de l'axe X-X, a la partie pleine du pas à cette distance R, b la partie creuse du pas à cette distance R, > le taux de portance du plateau à cette distance R, défini par X = a/P = a/(a + b) a l'angle de l'arc de rayon R intercepté par l'anneau de diamètre D, et de centre distant de H par rapport à l'axe X-X; et L la longueur de cet arc. Pour toute valeur de R comprise entre Di et Do (ou lorsque Du est trop petit, entre H-D,/2 et H + Dl/2), on peut écrire, en négligeant les interstices entre pièces contigues a l'intérieur des anneaux, qu'il y a une aire: L.d R = a R d R de pièces à roder pour chaque anneau; si N est le nombre d'anneaux on a pour chaque valeur de R une aire: d Sm = N a R d R de piece à roder. Pour effectuer ce rodage, le plateau présente une bande annulaire de rayon R ayant, compte tenu de la valeur locale de la portance, une aire efficace d'abra- s i O: d Sz = 2 n X R d R Four obtenir une usure uniformément répartie de ia surface utile du plateau, l'invention enseigne de maintenir ie rapport d SL/d S constant, ce qui se traduit, apres simplification, par: ≥ a. ou MI est un coefficient arbitraire constant. Le développement de l'expression de a en fonction de la variable R et des paramètres DR et H est à la portée de l'homme de métier A titre d'Exemple on peut partir des relations des triangles quelconques, appliquées au triangle OAO' de la figure 3: tg (-/(a =\ A) ( p 00 ') p (p-OA') ou X est le demi périmètre de ce triangle, c'est-à-dire: p = (H + D,/2 + R)/2 0 u iSi l'on pose: X = H + D/2 et Y = H Dd/2 -expression contenant a devient: tg (ai/i ( X R) (R Y) a 25 (X + R) (R + Y) d'ou i'on déduit l'expression de a et donc celle de >: = 2 K Arc tg ('ô/ (X R) (R Y)) (X + R) (R + Y) on observe que cette expression devient nulle pour les vaieurs extrêmes de R, à savoir X ou Y C'est pourquoi 1 'invention préconise de ne respecter l'expression précitée que pour des valeurs de R distinctes de X et Y et comprises entre elles. Plusieurs solutions sont possibles pour le choix du taux de portance aupres de ces valeurs extrêmes X e_ Y On peut ainsi notamment choisir de rendre constant ce taux de portance a une valeur de seuil prédéterminé (par exemple 1/3 1/4 voire 1/5) On peut aussi choisir de rendre brutalement nul ce taux de portance à proximité de ces valeurs extrêmes, ce qui revient à choisir D 1/2 légèrement supérieur (de quelques pour cents) à Y et Do/2 légérement inéerieur (de quelques pour cents) à X. En pratique le choix de telle ou telle solution est d'une importance assez faible, dés lors que la relation précitée est respectée pour la quasi-totalité de l'inter- valle fx, Mf par exemple sur 90 % voire 95 % de cet intervalle. ici fa On peut observer que dans l'exemple des figures 1 à 3, on a choisi la deuxième des solutions précitées, c'est-à-dire que D, est (de peu) supérieur à (Do Dm)/2. L'amplitude de la différence est choisie en fonction du diamètre des pièces à roder (en pratique les pièces doivent toujours être en majorité (plus de 50 %) en regard de la surface utile du plateau). En règle générale on peut écrire que le cercle intérieur des anneaux 5 est approximativement tangent aux cercles de diamètres Dm et Do de préférence en débordant tu librement hors du bandeau 4. De manière préférée on choisit une valeur de portance minimale qui est plus faible auprès de la périphérie externe (point C de la ligne 4 et figure 5 C) qu'aupres de la périphérie interne (point A de la figure 4 X 5 et figure SA), la valeur de portance étant maximale à mi- chemin entre ces périphéries (point B de la figure 4 et figure 5 B). Sur cette figure 4 est représentée la relation linéaire existant selon l'invention entre X et a; cette représentative d'un taux de portance constant, correspon- dant à l'état de la technique. Les figures SA à 5 C montrent le profil d'un exemple de plateau, selon un rayon On observe que, à S partir de la périphérie externe le taux de portance augmente à partir d'une valeur minimale d'environ 1/3 l 1 (figure 5 C) jusqu'à un maximum d'environ 2/3 (figure 5 B) pour redescendre a environ 1/2 (figure SA) Ces valeurs correspondent aux valeurs suivantes: Di = 214 o = 801 H = 257 DA = 153 pour des pièces à roder de diamètre compris entre 15 et mm | On notera que l'écart entre D 1/2 et (H D:/2) vaut environ 3 mm et que l'écart entre (H + DA/2) et D 0/2 vaut environ 9,5 mm. il est à la portée de l'homme de métier de déteerminer le tracé du sillon à partir de A L'usinage de ce sillon est par exemple effectué à l'aide d'une machine à commande numérique (horizontal ou vertical selon le diamètre du plateau) La section du sillon est choisie en fonction de l'application du plateau (rodage diamant, Borazon) J En fait, le tracé du sillon suppose une information complémentaire en ce qui concerne a, b ou P. En pratique, pour des raisons de facilité d'usinage on choisit b à une valeur constante (environ 2 mm dans l'exemple considéré); on en déduit aisément la -5 relation entre P (ou a) et A titre d'exemple, on impose à la périphérie externe une valeur de départ pour le taux de portance arbitrairement choisie, on en deduit la valeur de K puis on trace le sillon tour par tour, en calculant le pas P par % récurrence. La section du sillon est choisie en fonction de l'application du plateau (rodage diamant, Borazon) ; l'outil est fixe sur le chariot d'un tour à commande numerique (horizontal ou vertical selon le diamètre du plateau). Le choix de la valeur initiale du pas permet de déterminer la capacité de "coupe" du plateau: Pe faible = plateau efficace, mais durée de vie courte, Pe fort = plateau moins efficace ou nécessitant des machines puissantes (vérins pneumatiques pour appuyer sur les pièces et moteur d'entraînement du plateau puissant), mais durée de vie améliorée. L'invention s'est révélée conduire à une 1 O optimisation très poussée des plateaux puisque, au lieu d'avoir à prévoir périodiquement une rectification de plateau (par exemple toutes les dix heures de temps de fonctionnement machine) dans le cas d'un sillon à pas constant, on a pu poursuivre sans interruption l'utilisa- 1 tion du plateau des figures 5 A à 5 C jusqu'à usure quasi- complète (consommation quasi-complète des "dents" entre les spires du sillon), ce qui a correspondu à une durée de plus de 100 heures de fonctionnement machine. Il est apparu que la mise en oeuvre de tels Dlateaux à sillon à pas variable permettait de se dispenser de tout moyen spécifique pour l'entraînement des anneaux en rotation autour de leurs axes respectifs. Il va de soi que la description qui précède n'a été proposée qu'à titre d'exemple non limitatif et que de nombreuses variantes peuvent être proposées par l'homme de l'art sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 i Machine à roder ( 1) comportant un plateau de rodage ( 2) adapté à tourner autour d'un axe principal (X-X) et Drésentant une surface utile de rodage ( 4) de forme annulaire comprise entre un cercle interne (Di) et un cercle externe (Do) et dans laquelle est taillé un sillon (Sit en spirale au moins un anneau de confinement ( 5) disposé au moins en quasi- totalité en regard de la surface utile annulaire en étant adapté à tourner autour d'un axe fixe (Y, -Y,) parallèle à l'axe principal, cet anneau étant destiné à contenir des pièces à roder ( 100) et à en confiner le déplacement contre la surface utile, et un disque d'application ( 6) coaxial à l'anneau pour presser axialement lesdites pièces contre cette surface utile, cette machine étant caractérisée en ce que le pas (P) de ce sillon est variable, étant tel que, entre ces cercles interne et externe et à l'exclusion de ceux-ci, le taux de portance X du plateau à une distance R de l'axe principal défini par le rapport entre la dimension radiale (a) de la -., partie pleine du pas à la dimension totale de ce pas, est, par rapport à l'amplitude angulaire (a) d'un arc centré sur l'axe principal, de rayon égal à cette distance R, intercepté intérieurement par cet anneau de confinement, dans un rapport constant quelle que soit cette distance R. 2 Machine à roder selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit anneau de confinement déborde radialement de part et d'autre de la surface utile annulaire. 3 Machine à roder selon la revendication 2, caractérisée en ce que le diamètre interne (DA) de l'anneau de confinement vaut entre 101 et 105 % de la distance i Do/2 Di/2) entre les cercles interne et externe en étant approximativement centré à mi-chemin entre ces cercles. 4 Machine à roder selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le taux de portance auprès du cercle interne est compris entre le taux de portance, minimal, auprès du cercle externe et le taux de portance, maximal, sensiblement à mi-chemin entre ces cercles. Machine à roder selon l'une quelconque des s revendications 1 à 4 caractérisee en ce que le taux de portance est supérieur à un seuil minimum de 25 %. 6 Machine à roder selon l'une quelconque des revendications i à 5, caractérisée en ce que l'anneau est monté libre en rotation autour de son axe. 7 Machine à roder selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérise en ce que cet anneau de confinement fait partie d'une pluralité d'anneaux de confinement identiques régulièrement distribués angulaire- ment autour de l'axe principal à égales distances de celui- c 5 i. 8 Plateau de rodage ( 2) pour machine à roder, comportant une surface utile annulaire ( 4) comprise entre un cercle interne (Di) et un cercle externe (Do), dans laquelle est taillé un sillon en spirale ( 10), caractérisé en ce que le pas de ce sillon est variable, étant tel que, entre ces cercles à distance de -ceux-ci, le taux de portance) de ce plateau à une distance R du centre du plateau, défini par le rapport entre la dimension radiale de la partie pleine du pas à la dimension totale de ce pas, est dans un rapport au moins approximativement constant, indépendant de cette distance R, avec l'amplitude d'un arc de rayon égal à cette distance R, coaxial à ce plateau. intercepté intérieurement par un cercle arbitraire (D-) en regard de la surface utile annulaire approximativement 3-0 tangent auxdits cercles. 9 Plateau de rodage selon la revendication 8, caracetérisé en ce que ce cercle arbitraire déborde léegerement radialement de part et d'autre de la surface utile annulaire. J 10 Plateau de rodage selon la revendication 9, caractérisé en ce que ce cercle arbitraire a un diamètre valant entre 101 et 105 % de la distance (Do/2 Dm/2) entre ces cercles interne et externe. 11 Plateau de rodage selon l'une quelconque ces revendications 8 à 10, caractérisé en ce le taux de portance auprès du cercle interne est compris entre le taux de portance, minimal, auprès du cercle externe et le taux de portance, maximal, sensiblement à mi-chemin entre ces cercies- 12 Plateau de rodage selon l'une quelconque des revendications 8 à 11, caractérisé en ce que le taux de portance est supérieur à un seuil minimum de 25 %.