Brevet FR2698338A1 — publié le 19940527

La présente invention concerne un dispositif pour le sertissage des fonds et couvercles sur les boîtes métalliques au moyen de vis de sertissage à profil de gorge évolutif. Le même dispositif peut être utilisé plus généralement pour tous travaux par déformation en plusieurs passes sur une pièce en rotation, habituellement effectués par les actions successives de plusieurs molettes. Domaine d'application : principalement la fabrication et la fermeture - des boîtes métalliques pour la conserve alimentaire - des boîtes métalliques pour la boisson - des boîtes à corps en carton ou plastique, mais avec des fonds et couvercles métalliques sertis - diverses boîtes métalliques ou assimilées non destinées aux produits alimentaires : aérosols, huiles moteur pour l'automobile, peintures et produits chimiques, cartouches de filtre à huile pour automobiles, boîtes de gaz liquéfié, etc. Forme des boîtes : nous décrirons l'utilisation de ce nouveau dispositif dans le cas des boîtes rondes qui est de loin la forme la plus utilisée mais le nouveau principe proposé présente de l'intérêt également pour le sertissage des boîtes "de forme" telles que rectangulaires ou ovales. Ce nouveau dispositif est susceptible d'être utilisé de nombreuses façons différentes. Pour simplifier, nous l'expliquerons dans deux cas précis A et B (qui devraient d'ailleurs en être les utilisations les plus courantes) A. Sertissage des boîtes conserve rondes (par exemple la boîte 1/2 haute, diamètre 73 mm, hauteur 109 mm) 1. Rappel du procédé traditionnel généralement utilisé (sertisseuses à boîtes tournantes) Des normes européennes (SEFEL, Secrétariat Européen des Fabricants d'Emballages Métalliques Légers. Recommandation n'l en deux parties : Interchangeabilité de sertissage des couvercles et des corps de boîtes à conserve) donnent toutes les spécifications de dimensions pour réaliser ce sertissage (veuillez vous reporter à ces normes). Avant de commencer le sertissage Fig. 1 : - Un plateau (1) (généralement entraîné) dit plateau de compression" reçoit la boîte à fermer, - Le couvercle (2) est présenté au-dessus de la boîte (4), bien centré, - Le mandrin de sertissage (3) (aussi centré) est en rotation (à la même vitesse que le plateau de compression). Déroulement de l'opération de sertissage Fig. 2: - le plateau de compression (1) monte la boîte, - la boîte (4) prend le couvercle au passage, - l'ensemble boîte + couvercle vient se loger dans le mandrin de sertissage (3) (montage conique à 4 du mandrin de sertissage dans la cuvette du couvercle), comme représenté en coupe, Fig. 3 - le plateau de compression (1) applique une force F (environ 1 kg par mm de diamètre de la boîte), ce qui assure l'entrai- ment du couvercle (entraîné par le montage conique sur le mandrin) et le corps de boîte entraîné par le couvercle et le plateau de compression. - pendant cette rotation de l'ensemble mandrin - couvercle corps - plateau, une molette (5) non entraînée avec une gorge de profil constant se déplace dans le plan horizontal par action d'une barre de torsion entraînée par une came pour amener en contact la molette avec le bord extérieur de l'ourlet du couvercle. Une avance réglable et une force élastique donnée par la barre de torsion) va appuyer cette molette qui se met à tourner en effectuant la "première opération", après quoi on obtient un début de serti comme représenté en coupe en fig. 4. - après retrait de la molette de première opération, une autre molette avec un autre profil de gorge vient exécuter la deuxième opération, après laquelle, celle-ci se retire également, et le serti prend la forme définitive du serti étanche représenté en coupe en fig. 5. - alors le plateau de compression commence à descendre pendant qu un éjecteur (6) vient avec force décoincer le cône à 4 entre le mandrin de sertissage et le couvercle, ce qui a pour effet de libérer la boîte sertie qui peut être poussée hors du plateau de compression lorsqu'arrivé à son point bas. 2. Inconvénients du procédé traditionnel - le travail de chaque molette oppose un couple de freinage à la rotation de l'ensemble mandrin - couvercle - boîte - plateau. Ceci a pour conséquences . pour assurer un bon entraînement de l'ensemble d'appliquer une force de compression élevée (ceci sera de moins en moins acceptable dans le futur avec la tendance actuelle à limiter l'épaisseur du métal des boîtes), . d'obliger à travailler progressivement sur un grand nombre de tours (6 en général) alors que l'on devrait pouvoir faire le travail de chaque opération en 1 tour (augmenté de l'approche et d'un léger recouvrement), il y a toujours un risque pour que cet entraînement conique soit affecté par la présence d'un corps gras ou d'une mauvaise conicité. Ceci entraîne évidemment des défauts de sertissage et il est difficile de contrôler que toutes les boîtes ont bien tourné comme nécessaire, - pour des raisons pratiques on se limite en général à deux opérations (rarement trois).Ceci est un inconvénient car en décomposant les déformations à réaliser en plus de deux opérations, on peut obtenir un meilleur serti. - les sertisseuses traditionnelles doivent assurer un ensemble de fonctions qui conduisent à une cinématique assez complexe, même pour une machine à une seule tête : entraînement du mandrin, du plateau, cames pour actionner la levée du plateau, l'approche des deux molettes et la poussée de l'éjecteur. Il faut noter ausi que les réglages demandent généralement l'arrêt de la machine, donc de la ligne de production. 3. Description du nouveau dispositif Fig. 6 Sur deux platines parallèles (21), on trouve les éléments suivants (en partant du bas) - une pièce à section carrée ou autre (7) coulissant au moyen d'un vérin hydraulique ou pneumatique (8) dans une chemise (9), avec une butée (10) pour limiter sa course haute et dans sa partie supérieure le montage du plateau de compression (1) tournant librement (non entraîné), mais qui vient en position basse, en contact avec une couronne (11) assurant, par friction son freinage. - deux arbres (12), diamétralement opposés par rapport à l'axe de rotation du plateau de compression, tournent en permanence dans des paliers (13) réglables en position plus ou moins avancée vers l'axe de rotation du plateau de compression. - sur ces deux arbres sont montés des vis cylindriques (14) comportant une gorge (15) disposée en rampe hélicoïdale. Si on développe cette gorge sur toute sa longueur, on retrouve en section les profils des molettes de travail des différentes opérations sur certaines longueurs et au début de chaque opération une "approche" où ##la profondeur diminue pour venir effectuer la déformation voulue du métal. La figure 7 représente, pour un sertissage à 3 opérations, les profils de travail des 3 opérations PR1, PR2 et PR3, ainsi que les profondeurs P1, P2 et P3 des dirrérentes sections de la gorge (15) qui est représentée développée de façon linéaire. On y trouve les longueurs de gorge correspondant à chaque profil qui vont assurer le travail des déformations nécessaires au sertissage, chacune étant précédée d'une zône d'approche (A) qui permet au profil de venir se situer en position de travail. - ces deux vis ont des filetages identiques. Il y a une plage d'introduction (16) sur le dessus des vis, les deux arbres sont entraînés à la même vitesse et dans le même sens, bien synchrones (par exemple avec courroie crantée (17)), et sont maintenus par des paliers (13) réglables en position en haut comme en bas, - enfin, une autre pièce cylindrique à section carrée (ou autre) (18) (centrée sur l'axe du plateau de compression) coulisse au moyen d'un vérin hydraulique ou pneumatique (19) avec une butée (20) pour limiter sa course basse. On trouve à sa partie inférieure l'arbre (8) du mandrin de sertissage qui tourne aussi librement. 4. Description du nouveau procédé Avant de commencer le sertissage - le mandrin de sertissage (3) est en position haute, - le couvercle à sertir (2) est mis en place sous le mandrin et maintenu en position par des aimants ou des pinces à ressort, - le plateau de compression est en position haute sous l'influence d'une force F, développée par le vérin (8) - la boîte à fermer a été poussée et positionnée au centre du plateau de compression en avançant entre les deux vis de sertissage avec un faible jeu, Déroulement type de l'opération de sertissage - une force légèrement supérieure à F est appliquée par le vérin (19) au support coulissant du mandrin de sertissage à un instant précis de la rotation des vis afin que mandrin et couvercle s'introduisant dans l'ouverture de la boîte, fassent descendre le tout pour venir en appui précisément sur les plages d'introduction (16) dans le filetage des vis (14), - dès l'entrée du bord du couvercle dans le filetage, les vis de sertissage mettent en rotation le couvercle (et donc la boîte, le mandrin et le plateau) et les différents profils de la gorge hélicoïdale (15) des vis de sertissage (14) avec leurs approches vont venir effectuer successivement les différentes opérations de sertissage, en continuité, - lorsque le serti terminé se trouve dans la fin de la gorge en bas des vis, le mandrin de sertissage remonte pendant que la force F est annulée et qu'une force inverse plus faible fait descendre le plateau de compression (avec la boîte sertie) sur une friction (11) en position basse, ce qui mettra un terme à sa rotation, - la boîte sertie pourra alors être évacuée. (On peut aussi choisir d'opérer en montant dans les vis au lieu de descendre). 5. Avantages du nouveau procédé - grande simplicité mécanique : il suffit d'entraîner deux arbres en rotation et de faire agir deux vérins hydrauliques. A noter en particulier que si les deux platines (21), fig. 6 correspondaient aux parois d'une enceinte étanche en condition agressive (par exemple à température élevée), on peut effectuer l'entraînement des arbres et l'action des vérins de l'extérieur en ne laissant à la chaleur que des pièces mécaniques très simples (cas du conditionnement aseptique), - les réglages sont très simples et peuvent s'effectuer en marche de l'extérieur pression de compression en agissant sur la pression du fluide dans un vérin, réglage du travail des profils successifs pour obtenir le sertissage en approchant ou éloignant les paliers des arbres des vis de sertissage par rapport au mandrin de sertissage (indépendamment en haut et en bas), - ce n'est plus le mandrin de sertissage qui doit assurer la rotation de la boîte.Les vis assureront en toute sécurité cette fonction puisqu'en position de travail, elles pourront exercer le couple d'entraînement nécessaire. Dès lors, on pourra envisager aussi des forces de compression plus faibles. Cependant une certaine compression demeure nécessaire pour former le crochet du corps, mais avec une meilleure décomposition du travail de sertissage en plus de deux opérations, il est possible de se contenter de moins de compression. - Il est possible de décomposer le travail de sertissage en un assez grand nombre d'opérations successives - avec tous les avantages que cela entraîne - sans entraîner aucune complication dans ce dispositif. - Assurance que toutes les boîtes auront reçu le travail complet de sertissage puisque le serti aura obligatoirement subi les différentes opérations dans le filetage des vis. B. Sertissage des boîtes pour boissons, fig. 8 Ces boîtes (4) sont fermées par un couvercle (2) à ouverture facile de diamètre plus petit que celui de la boîte qui présente donc un rétreint vers le haut, Fig. 8. En restant avec le même principe de vis avec une gorge évolutive, on peut . choisir comme pas de filetage une valeur nulle. Il n'y a donc plus de filetage mais une gorge dans le plan perpendiculaire à l'axe de rotation, - on utilise 4 ou un autre nombre de telles molettes qui comportent une échancrure depuis la fin de la dernière opération (23) jusqu a l'introduction dans le début de la gorge (24) correspondant à l'approche de la première opération. Fonctionnement : Fig. 8 - les molettes ne sont pas entraînées en permanence : elles sont au départ arrêtées avec l'échancrure vers la boîte, - la boîte qui a reçu son couvercle après remplissage est soulevée par son plateau de compression vers le mandrin de sertissage qui s'applique dans son couvercle - (il tourne librement et n'est pas entraîné, sa position en hauteur est fixe), - les 4 molettes (22) exécutent alors (en synchronisation) un tour complet. Le sertissage est alors réalisé et il suffit de descendre le plateau de compression et la boîte sertie pour évacuer celle-ci, - à noter qu en multipliant le nombre de molettes, ceci a l'avantage que chaque molette n'a à effectuer qu'une fraction (ici 1/4 pour le cas de 4 molettes) de rotation de la boîte pour chaque opération. - évidemment ce système à 4 molettes peut aussi être utilisé avec des boîtes conserve. C. Cas particulier des boîtes de forme" On appelle ainsi les boîtes métalliques non rondes : rectangulaires (sardines, bidons d'huile, etc.) ou ovales (pâtés, etc.) ou d'autre forme. Sur les sertisseuses traditionnelles les molettes de travail sont successivement approchées et éloignées de la boîte pendant la rotation de celle-ci - par des cames pour venir exécuter le sertissage - en suivant le profil du couvercle assemblé sur le corps de boîte. De la même façon, ces différentes molettes peuvent être remplacées par une vis de sertissage unique qui effectuera les différentes opérations pendant que son axe de rotation sera déplacé pour suivre le profil du couvercle et sa hauteur variera pour suivre le filetage. Plusieurs vis de sertissage peuvent être utilisées simultanément. Pour certains profils (tels qu'ovale) des vis à section non circulaire peuvent être utilisées pour éviter le déplacement de leur axe de rotation. D. Variantes et dispositifs annexes 1. Entraînement vertical du mandrin de sertissage (figure 9) Pour certaines applications, il peut être nécessaire de contrôler l'avance verticale du mandrin de sertissage pendant le sertissage. Cela peut se faire par un épaulement (25) sur le mandrin (3) qui vient se loger dans un évidement supplémentaire dans la gorge hélicoïdale à profil variable des vis. A noter que dans ce cas, en fin de cycle, le mandrin ne peut plus remonter entre les deux vis. Il convient alors soit d'écarter temporairement les vis, soit de déplacer temporairement l'axe de remontée du mandrin pour qu'il échappe aux vis. 2. Utilisation accessoire des vis de sertissage Lorsque le serti est terminé, la gorge hélicoïdale de la vis de sertissage peut être prolongée pour d'autres actions, par exemple de marquage sur le serti (par exemple par encrage de couleurs ou par impression en creux des diverses marques). 3. Variantes dans la mise en oeuvre de ce dispositif de sertissage. De nombreuses variantes sont possibles dans l'application de ce nouveau dispositif - le nombre des vis de sertissage peut-être librement choisi et on a généralement intérêt à les répartir régulièrement autour de la boîte, - le filetage peut aller de bas en haut (au lieu de haut en bas comme ci-dessus), - la boîte peut rester à la même hauteur pendant le sertissage (mais être mise en rotation) et ce sont les vis de sertissage qui montent ou descendent), - la boîte que l'on sertit peut être complètement fixe et les vis et leurs axes montés sur un équipage qui tourne autour de la boîte et se déplace vers le bas (ou le haut) en suivant le filetage de sertissage.Dans ce cas le mandrin de sertissage qui ne tourne pas est appuyé avec son couvercle sur le haut de la boîte avec la force de compression, - de même dans le cas des 4 molettes avec échancrure pour boîtes boissons, la boîte peut être complètement fixe. Le couvercle est posé sur la boîte. Le mandrin de sertissage avec sa force de compression et un équipage portant les 4 molettes descendent à la bonne hauteur, l'équipage exécute le sertissage en un tour de rotation propre des 4 molettes.Cet équipage remonte ainsi que le mandrin dès que la boîte est libérée par le positionnement des 4 échancrures vers la boîte, - on peut entraîner la boîte avec le mandrin de sertissage et le plateau de compression (comme pour le sertissage traditionnel) et approcher une vis unique de sertissage non entraînée (mais arrêtée au point de départ de son filetage) qui se mettra en rotation et exécutera le travail de sertissage en montant (ou en descendant). Ceci permettrait de remplacer les molettes actuelles à une seule opération sur des sertisseuses traditionnelles par une seule vis de sertissage avec l'avantage de pouvoir augmenter le nombre des opérations pour réaliser le sertissage de meilleure qualité. E. Les applications industrielles de ce procédé sont importantes. L'utilisation des boîtes métalliques connaît un développement soutenu sans crainte pour l'avenir car cet emballage ne présente aucun inconvénient pour l'écologie (recyclage total) et il y a une demande permanente de sertisseuses. Le dispositif décrit peut être utilisé pour la fermeture de boîtes arrivant sur une file à une cadence maximum de 100 boîtes par minute. Il suffit de le compléter par un dispositif de distribution des couvercles et d'un système d'amenage des boîtes à fermer, puis d'évacuation des boîtes fermées après sertissage. Pour des cadences supérieures à 100 boîtes par minute, on peut utiliser soit une division du flot de boîtes à fermer sur plusieurs files, chacune allant à moins de 100 boîtes/minute. . soit utiliser une machine du type carrousel comportant plusieurs dispositifs de sertissage sur lesquels seront amenées les boîtes à fermer, l'opération de sertissage se faisant pendant la rotation d'un tour du rotor portant les têtes. REVENDICATIONS 1) Dispositif pour assembler par déformation progressive un couvercle et un corps cylindrique dans une opération de sertissage, caractérisé par l'emploi d'une ou plusieurs vis de sertissage conjuguant une gorge hélicoïdale, un profil variable de la gorge dont les secteurs successifs présentent une forme et une profondeur différentes pour réaliser les différentes phases du sertissage pour optimiser la qualité du sertissage et, à l'entrée de la gorge hélicoïdale, une plage d'introduction permettant l'introduction de l'ensemble couvercle/corps dans la gorge hélicoïdale. 2) Dispositif selon la revendication I caractérisé par l'entraînement de la rotation de la vis de sertissage par une force motrice, ou l'entraînement synchrone des vis si elles sont deux ou plusieurs, ce qui assure par friction dans le travail des profils l'entraînement de l'ensemble couvercle/corps et affranchit du besoin d'entraîner celui-ci par l'intermédiaire du plateau de compression ou du mandrin de sertissage. 3) Dispositif selon les revendications 1 et 2 caractérisé par l'utlisation d'un mandrin de sertissage dont la périphérie n'aura plus à assurer un emmanchement conique avec la cuvette du couvercle à sertir puisque ce mandrin n'a plus à assurer la force motrice de rotation sur ce couvercle. A noter aussi l'inutilité d'installation d'un éjecteur dans le mandrin de sertissage, la séparation du mandrin et du couvercle en fin de sertissage étant assurée par la butée de descente du mandrin et l'éloignement vers le bas de la boîte assuré en fin de sertissage par l'entraînement de la boîte par la fin de la gorge hélicoïdale. 4) Dispositif selon les revendications 1 et 2 caractérisé par la position réglable par déplacement indépendant des paliers haut et bas des arbres portant les vis de sertissage pour s'adapter aux nécessités de serrage des différentes phases du travail de sertissage, mais ce réglage n'étant fait que lorsque le besoin s'en présente, le travail d'introduction, sertissage, évacuation ne nécessitant aucun autre mouvement des vis que leur rotation. La simplicité mécanique de ce dispositif facilite son adaptation au sertissage dans une atmosphère contrôlée nécessitant une enceinte étanche (par exemple aseptique) par la simplicité avec laquelle on peut disposer les commandes mécaniques de fonctionnement et effectuer les réglages à l'extérieur de l'enceinte en ne laissant à l'intérieur de celles-ci que des pièces peu nombreuses et très simples à stériliser. 5) Dispositif selon les revendications précédentes, caractérisé par l'utilisation de vérins hydrauliques ou pneumatiques pour assurer les forces de compression verticale sur le plateau de compression et le mandrin de sertissage sans s'opposer au mouvement de translation provoqué par le parcours imposé au serti dans la gorge hélicoïdale des vis de sertissage si cellesci sont fixes en position, ce qui n'est pas obligatoire car rien n'exclut de combiner un mouvement de translation de la ou des vis de sertissage assurant pendant leur rotation une position fixe à la gorge où se trouve engagé le couvercle à sertir (auquel cas la boîte reste à hauteur fixe). 6) Dispositif selon les revendications 1 et 2 caractérisé par une hélice à pas nul, c'est-à-dire une ou des molettes à gorge située dans un plan perpendiculaire à leur axe de rotation, mais présentant les caractéristiques revendiquées de gorge à profils successifs en forme et profondeur, et d'échancrures permettant l'introduction et l'évacuation de la boîte (la même échancrure permet les deux opérations). Ce dispositif trouve son avantage lorsque le corps cylindrique présente un rétreint à l'extrémité à sertir, le couvercle étant alors de plus petit diamètre que le corps. Pour compenser l'absence d'hélice (laquelle permet de développer les profils successifs de gorge sur une grande longueur) il faut ici utiliser plusieurs molettes à gorge unique de sorte que la longueur totale de la somme des longueurs des gorges (hors échancrures et fractions de gorge d'approches) représente plus de deux fois la périphérie du serti à réaliser, chaque molette ayant des profils successifs dont la longueur unitaire égale au moins la fraction l/n de la périphérie du couvercle à sertir, "n" étant le nombre de molettes choisi. Ceci permet d'utiliser, au choix, deux molettes de grand diamètre, ou n molettes de diamètre plus réduit. 7) Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé par son adaptation à des ensembles corps/couvercle de forme autre que circulaire (ovales, rectangulaire, etc.) exigeant que l'écartement entre les arbres portant les molettes suive la loi de mouvement adaptée à cette forme. Ce cas est l'inverse de celui qui est l'objet de la revendication 4 ci-dessus, et exige au contraire des mécanismes de commande de déplacement des arbres porte-vis par came, dispositif hydraulique ou autre, réduisant sans doute l'intérêt économique de la présente invention, mais conservant les avantages qualitatifs que peut procurer l'utilisation de vis à profils successifs aussi nombreux et progressifs que nécessaire et/ou l'efficacité accrue des vis à rotation commandée par rapport aux molettes libres sur leur axe généralement utilisées jusqu'ici.Pour de telles applications, certaines vis de sertissage peuvent ne pas être cylindriques. 8) Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé par l'utilisation de vis à gorge hélicoïdale et à profils successifs pour réaliser toute opération de déformation progressive d'un bord d'objet métallique ou autre sans qu'il s'agisse nécessairement d'assemblage et/ou de sertissage. 9) Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé par l'utilisation d'une sertisseuse traditionnelle à boîte tournante sur laquelle les molettes de sertissage seraient remplacées par une seule vis de sertissage qui, montée folle sur son support, serait approchée à l'entrée de sa gorge hélicoïdale sur le bord ourlé du couvercle à sertir en place sur la boîte à fermer. Cette vis serait alors entraînée en rotation par friction et effectuerait les différentes phases successives du travail de sertissage en effectuant un mouvement vers le haut ou le bas suivant la progression dans le filetage. Ceci permettrait d'augmenter le nombre des phases de sertissage sur une sertisseuse traditionnelle.