Brevet FR2703750A1 — publié le 19941014

Servo-valve hydraulique, circuit la comportant et son utilisation dans un procédé pour commander une presse de forge. La présente invention concerne une servo-valve hydraulique, un circuit la comportant ainsi que son utilisation dans un procédé pour commander une presse de forge. Les presses de forge doivent travailler à des cadences élevées pour limiter ou éviter le refroidissement de la pièce entre les passes de forge consécutives. Or, de tels cycles de forge rapide entraînent des coups de bélier dans les tuyauteries dont la fréquence et l'amplitude sont importantes au point de détériorer rapidement les circuits hydrauliques. Ce phénomène a des conséquences d'autant plus néfastes que le sens de circulation de l'huile dans les conduites est alterné pendant les cycles. En effet, les circuits hydrauliques de commande de presse à forger selon l'art antérieur sont constitués de boucles fermées comprenant au moins une pompe à débit variable qui est reliée directement par des tuyauteries au pot de presse (vérin principal de la presse). Dans ces circuits fermés, l'huile ne peut pas être changée ou régénérée sans arrêter la presse. De plus, les cadences de forge ne peuvent guère dépasser 60 à 80 coups/mn sans provoquer des élévations de pression dues notamment aux inversions de débit et qui sont incompatibles avec la tenue des tuyauteries. Or aujourdh'ui, les contraintes de forge liées à l'amélioration de la qualité du produit fini imposent des passes de forge très rapprochées dans le temps afin de limiter le refroidissement de la pièce entre deux passes. Par ailleurs, le contrôle de la course et de la position de la presse doit être précis et reproductibIe de façon à assurer une qualité constante du forgeage. Parallèlement, il est nécessaire d'assurer la coordination avec les organes mécaniques annexes, tels que les manipulateurs afin de réduire les temps de travail de la presse sans nuire à la qualité de la forge. La présente invention a pour but de résoudre les problèmes techniques précédents de manière satisfaisante. Ce but est atteint au moyen d'une servo-valve pour circuit hydraulique de commande constituée d'un corps comportant une cavité cylindrique supérieure destinée à recevoir le piston d'un vérin dont la face inférieure est solidaire d'une tige de pilotage qui pénètre dans une cavité inférieure pourvue d'un orifice d'entrée latéral et d'un orifice de sortie inférieur et adaptée pour recevoir un élément d'obturation mobile pourvu d'un conduit d'admission communiquant avec l'orifice d'entrée et d'un conduit d'éjection débouchant dans l'orifice de sortie et susceptible d'être obturé par ladite tige de pilotage ; ledit élément d'obturation définissant avec les parois internes de ladite cavité inférieure d'une part une chambre supérieure dans laquelle ladite tige de pilotage est susceptible de faire saillie et débouchent lesdits conduits d'admission et d'éjection et d'autre part une chambre périphérique inférieure communiquant avec l'orifice d'entrée et susceptible de s'ouvrir directement sur l'orifice de sortie lorsque ledit élément d'obturation est en position haute. Selon une caractéristique avantageuse, la face supérieure du piston est soumise à l'action d'un ressort hélicoïdal logé dans la cavité cylindrique supérieure Selon une autre caractéristique, la face supérieure du piston est solidaire d'une tige de commande coopérant avec des moyens de contrôle de la position du vérin. Selon encore une autre caractéristique, ledit vérin est commandé par un circuit électronique. Selon un mode de réalisation particulier, ladite tige de pilotage comporte un conduit interne d'équilibrage débouchant dans ladite chambre supérieure de la cavité inférieure et communiquant avec la cavité supérieure au niveau de la face supérieure du piston pour former un vérin à simple effet. Selon un autre mode de réalisation, le vérin est un vérin à double effet. Selon une autre caractéristique, le conduit d'admission débouche dans ladite chambre supérieure par une buse et l'extrémité inférieure de la tige de pilotage a un profil adapté à l'embouchure du conduit d'éjection. De plus, les courses respectives de la tige de pilotage et de l'élément d'obturation sont sensiblement identiques et déterminées en fonction des variations de pression recherchées par unité de temps. Un autre objet de l'invention est un procédé de commande d'une presse de forge associée à un pot de presse et à des accumulateurs hydrauliques au moyen d'un circuit hydraulique comprenant notamment une servo-valve, au moins une pompe à débit constant et un réservoir, caractérisé en ce qu'on effectue successivement selon un cycle: - l'ouverture partielle de la servo-valve tout en by-passant le débit de la pompe ce qui a pour effet d'abaisser la pression dans le pot de presse jusqu'à une valeur de pression prédéterminée; ladite ouverture de la servo-valve s'obtenant en déplaçant vers le haut l'élément d'obturation suivant une loi de mouvement appropriée, - l'augmentation rapide et continue de l'ouverture de la servo-valve pour évacuer l'huile du pot de presse ainsi que le débit des pompes vers le réservoir, - la remontée de la presse au moyen des accumulateurs hydrauliques à une vitesse contrôlée par le débit de sortie de la servo-valve, - la fermeture partielle puis complète de la servo-valve obtenue en déplaçant vers le bas l'élément d'obturation pour provoquer successivement le ralentissement, puis l'arrêt du mouvement ascendant de la presse et enfin la descente de la presse. Encore un autre objet de l'invention est un circuit hydraulique de commande d'une presse de forge comprenant notamment, au moins une pompe reliée par des tuyauteries au pot de presse, caractérisé en ce qu'il comprend la servo-valve précédente montée entre le pot de presse et un réservoir d'huile tandis que la pompe est à débit constant et communique directement avec le pot de presse pour former un circuit hydraulique ouvert dans lequel l'huile circule à sens unique. Selon une caractéristique avantageuse, la servo-valve est raccordée en dérivation à partir du pot de presse. La servo-valve de l'invention est particulièrement simple et assure à elle seule le mouvement de va et vient de la presse et la phase de décompression en évitant ainsi les commutations en chaîne de plusieurs valves. La servo-valve de l'invention possède une réponse dynamique élevée, ce qui, associé au sens de circulation unique du fluide hydraulique dans les tuyauteries permet d'obtenir des cadences de travail plus rapides pouvant atteindre 200 coups/mn tout en conservant une bonne souplesse de fonctionnement, en améliorant la finesse de la régulation et en évitant les coups de bélier. De plus, les efforts de déplacement de l'élément d'obturation formant clapet et tiroir de puissance ne sont pas répercutés sur le système de contrôle à vérin de pilotage, ce qui autorise des pressions de fonctionnement allant jusqu'à 600 bar avec une pression de pilotage de seulement 25 à 140 bar suivant les temps de réponse souhaités. Dans ces conditions, le vérin de pilotage peut être contrôlé par des pressions réduites et contribue ainsi à améliorer la précision et la fiabilité du procédé de commande de la presse et donc la qualité des produits finis. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, accompagnée des dessins sur lesquels: - les figures la, lb et lc représentent des vues en coupe d'un premier mode de réalisation de la servo-valve hydraulique de I'invention selon diverses phases du procédé de commande de la presse; - la figure 2 représente une vue en coupe d'un autre mode de réalisation de la servo-valve de l'invention. - la figure 3 est une vue schématique du circuit de commande de la presse de forge. La servo-valve hydraulique 1 de l'invention représentée sur les figures la, lb, lc et 2 est plus particulièrement destinée à la commande d'une presse de forge. La servo-valve 1 est constituée d'un corps 10 comportant une cavité cylindrique supérieure 1 1 destinée à recevoir le piston 111 d'un vérin 110 à simple effet (fig. la, lb, lc) ou à double effet (fig. 2). La face inférieure du piston 111 est solidaire d'une tige de pilotage 112 qui pénètre dans une cavité inférieure 12. L'étanchéité au niveau de la traversée de la paroi séparant la cavité supérieure 11 de la cavité inférieure 12 est réalisée par tout moyen connu. La cavité inférieure 12 est pourvue d'un orifice d'entrée latéral 12B et d'un orifice de sortie inférieur 12A. La cavité inférieure 12 est adaptée pour recevoir un élément d'obturation mobile 120 formant clapet et tiroir de puissance, pourvu d'un conduit d'admission 120b et d'un conduit d'éjection 120a. Le conduit d'admission 120b communique avec l'orifice d'entrée 12B tandis que le conduit d'éjection 120a débouche dans l'orifice de sortie 12A. Le conduit d'éjection 120a est susceptible d'être obturé par l'extrémité inférieure de la tige de pilotage 112. L'élément d'obturation 120 définit avec les parois internes de la cavité 12, d'une part une chambre supérieure 121 dans laquelle la tige de pilotage 112 est susceptible de faire saillie et dans laquelle débouchent le conduit d'admission 120b et le conduit d'éjection 120a, et d'autre part, une chambre périphérique inférieure 122 communiquant avec l'orifice d'entrée 12B. La chambre périphérique 122 est susceptible de s'ouvrir directement sur l'orifice de sortie 12A lorsque l'élément d'obturation 120 est en position haute. Le conduit d'admission 120b débouche dans la chambre supérieure 121 par une buse 121b. L'élément d'obturation 120 se déplace en translation verticale dans la cavité inférieure 12 entre une position basse où la chambre périphérique 122 est fermée vers le bas tandis que la chambre supérieure 121 a un volume maximum et une position haute où la chambre périphérique 122 est ouverte sur l'orifice de sortie 12A tandis que la chambre supérieure 121 a un volume minimum. L'élément d'obturation 120 comporte, à sa partie inférieure, une face chanfreinée annulaire 120c destinée à venir en contact d'arrêt avec une face correspondante 123 ménagée sur la paroi interne de l'orifice de sortie 12A en formant un siège de clapet. Le déplacement de l'élément d'obturation 120 est ainsi limité vers le bas tandis que vers le haut la face supérieure dudit élément 120 vient en butée contre l'extrémité inférieure de la tige de pilotage 112 qui a de préférence un profil adapté à l'embouchure du conduit d'éjection 120a dans laquelle elle vient en appui. La face supérieure du piston 111 du vérin 110 est soumise à l'action d'un ressort hélicoïdal 113 logé dans la cavité cylindrique supérieure 11. Le vérin 110 est commandé par un circuit électronique associé à un système hydraulique comprenant notamment un réducteur 2 (fonctionnement en boucle ouverte - figures la, lb, 1c) ou une valve pilote 2' à quatre voies (fonctionnement en boucle fermée - figure 2). Sur la figure la, le réducteur n'est pas alimenté et l'élément d'obturation 120 est en position basse. Le ressort 113 force le piston 111 vers le bas, ce qui a pour effet d'introduire la tige de pilotage 112 dans l'embouchure du conduit d'éjection 120a qui est ainsi obturé. L'élément d'obturation 120 est maintenu en position basse en appui contre son siège 123 grâce à la pression d'huile introduite par l'orifice d'entrée 12B et s'établissant d'une part au moyen du conduit d'admission 120b dans la chambre supérieure 121 et d'autre part dans la chambre périphérique 122. La servo-valve I reste ainsi fermée. Selon un autre mode de réalisation tel que représenté sur la figure 2, la face supérieure du piston 111 du vérin 110 est solidaire d'une tige de commande 114 qui coopère avec des moyens de contrôle de la position du verin. Ces moyens peuvent être par exemple un capteur ou transducteur 3 du type LVDT (linear variable differential transducer) donnant la position réelle du piston 111 pour comparaison avec une valeur de consigne et action sur la valve pilote 2' à quatre voies (fonctionnement en boucle fermée). La figure 2 correspond à la position de fermeture de la servovalve représentée avec sa valve pilote 2' au repos. Sur la figure lb, le réducteur 2 est alimenté progressivement et le piston 111 remonte donc en comprimant le ressort 113, ce qui a pour effet de déplacer la tige de pilotage 112 vers le haut jusqu'à ce que ce ressort 113 équilibre les forces de pression agissant sur le piston 111 du vérin 110 ou, pour le mode de réalisation de la figure 2, jusqu'à ce que la valeur donnée par le transducteur 3 soit égale à la valeur de consigne. Le conduit d'éjection 120a est ainsi dégagé tandis que l'élément d'obturation 120 est toujours en position basse. L'huile s'échappe alors de la chambre supérieure 121 par le conduit d'éjection 120a vers l'orifice de sortie 12A puis vers le réservoir d'huile R (voir figure 3). Par suite, la pression d'huile dans la chambre supérieure 121 diminue tandis qu'elle reste constante dans la chambre périphérique 122. Il en résulte un différentiel de pression qui provoque la montée de l'élément d'obturation 120. La servo-valve 1 est ainsi dans une position intermédiaire. Sur la figure îc, l'élément d'obturation 120 est remonté jusqu'à ce que l'extrémité inférieure de la tige de pilotage 112 vienne en butée dans l'embouchure du conduit d'éjection 120a qui est ainsi obturé. Dans cette position, la chambre périphérique 122 débouche vers le bas directement sur l'orifice de sortie 12A et la servo-valve 1 est ouverte. L'huile provenant de l'orifice d'entrée 12B par le biais du conduit d'admission 120b ne peut plus s'échapper de la chambre supérieure 121 par le conduit d'éjection 120a. Cela entraîne une élévation de la pression d'huile dans la chambre supérieure 121 jusqu'à ce que l'effort de fermeture équilibre l'effort d'ouverture dû à la pression régnant dans la chambre périphérique 122. L'équilibre des pressions entre les deux chambres maintient l'élément d'obturation en position haute et la servo-valve 1 reste ainsi ouverte. Dans toutes les phases précédentes, L'élément d'obturation 120 conserve une position stable et sa face supérieure suit de près l'extrémité inférieure de la tige de pilotage 112. Les courses respectives de la tige de pilotage 112 et de l'élément d'obturation 120 entre leurs positions extrêmes sont sensiblement identiques et déterminées notamment en fonction des variations de pression par unité de temps recherchées dans le circuit de commande de la presse. Dans le cas où la servo-valve 1 est montée pour une régulation en ligne, la tige de pilotage 112 comporte un conduit interne 102 d'équilibrage débouchant à l'extrémité inférieure de ladite tige dans la chambre supérieure 121 de la cavité inférieure 12 et communiquant avec une chambre d'équilibrage lla située dans la cavité supérieure 11 au niveau de la face supérieure du piston 111 pour éviter toute perturbation en position en cas de variation de pression sur l'orifice de sortie 12A. La figure 3 représente une vue schématique du circuit de commande de la presse de forge. Le circuit de commande comprend essentiellement autour du pot de presse (vérin principal) F, une ou plusieurs pompes à débit constant PI, P2, ..., des accumulateurs hydrauliques H (alimentant les vérins de rappel V de la presse), la valve de forge 1 de l'invention avec son circuit de pilotage 2, 2', un réservoir d'huile R, un circuit de gavage et de filtration G placé entre le réservoir R et les pompes P1, P2 ...., un capteur de position C de la traverse mobile T de la presse et éventuellement, un circuit de refroidissement S. Les valves assurant les mouvements avec descente par gravité ainsi que les soupapes de sécurité ne sont pas représentées. La servo-valve 1 est généralement montée en partie haute avec des tuyauteries de retour aussi courtes que possible. La position de la traverse mobile T déterminée par le capteur C est comparée à la valeur de consigne mémorisée dans un microprocesseur M pour action sur la servo-valve 1 de l'invention. Le procédé de commande est mis en oeuvre en effectuant successivement des cycles comprenant: - l'ouverture partielle (figure lb) de la servo-valve 1 tout en by-passant le débit des pompes P1,P2... pour abaisser la pression dans le pot de presse F jusqu'à une valeur prédéterminée; ladite ouverture de la servo-valve 1 étant obtenue en déplaçant vers le haut l'élément d'obturation 120 suivant une loi de mouvement appropriée, puis l'augmentation rapide et continue de l'ouverture de la servo-valve pour évacuer l'huile du pot de presse F ainsi que le débit des pompes vers le réservoir R (figure lc); - la remontée de la presse au moyen des accumulateurs hydrauliques H à une vitesse contrôlée par le débit de sortie de la servo-valve 1; - la fermeture partielle puis complète (figure la) de la servovalve 1 pour provoquer successivement le ralentissement puis l'arrêt du mouvement ascendant de la presse et enfin le descente de la presse. La servo-valve 1 peut être montée en ligne ou en dérivation selon l'application envisagée. Dans un circuit de commande d'une presse de forge la servo-valve est montée en dérivation entre le pot de presse F et le réservoir R. Pour d'autres circuits de commande, lorsque cette servo-valve est raccordée en ligne entre une pompe et un vérin, on remarque que les variations de la pression de charge agissant sur l'orifice de sortie 12A viennent perturber le système de contrôle supérieur à vérin 110 pouvant entraîner ainsi un léger défaut de position de l'élément d'obturation 120 formant clapet ou tiroir de puissance. En pratique, le circuit d'équilibrage hydraulique 102 élimine cet inconvénient. L'étude ci-après permet dévaluer l'erreur de position de l'élément d'obturation lorsque la pression de charge varie de 0 à 500 bar. L'étude a été conduite avec une servo-valve pilote standard à vérin 100 (fsv = 120 hz) alimentée à 140 bar, l'effort négatif de -80 daN correspondant à l'action du ressort 113 incorporé à la servo-valve et assurant une fermeture naturelle. Un gain hydraulique de l'ordre de 10 1/mon est suffisant pour assurer des temps de réponse rapide de l'ordre de 50 milli-secondes, pour une course de l'élément d'obturation 120 de 20 mm et avec un vérin 110 de pilotage dont l'alésage est de 25,4 mm (avec une petite tige de pilotage 112 de 8 mm) (voir figure 2). Les faibles masses en mouvement et les volumes réduits d'huile sous compression associés à la bonne réponse dynamique de la servovalve pilote conduisent à un gain de boucle élevé de l'ordre de 370 T -1, On comprend que lorsque la pression de charge varie par exemple de 0 à 500 bar et que cette pression est répercutée sur la section de la tige de pilotage 112 de 8 mm, un effort perturbateur de l'ordre de 250 daN dirigé vers le haut, agit sur le système de contrôle supérieur provoquant un décalage de pression PA - PB 50 bar sur les orifices a et b de la valve pilote. Celle-ci a tendance à s'ouvrir dans le sens s'opposant à cet effort du fait du bouclage position. Avec une servo-valve ayant un gain en pression de 0,2 il est possible de trouver l'erreur position consécutive au décalage de pression ci-dessus, puisque cet effort perturbateur provoque 5. 50/70 b 3,5 % du courant nominal sur la servo-valve pilote, soit une erreur de position de l'élément d'obturation 120 de l'ordre de E POS = erreur de traînée à pleine ouverture x 3,5 % = 1,39 x 3,5 % = 0,05mm. Cette erreur ne représente peut être qu'un faible pourcentage de la course totale de l'élément 120 (environ 0,25 %) mais peut être, malgré tout, éliminée par l'équilibrage hydraulique. REVENDICATIONS 1. Servo-valve pour circuit hydraulique de commande constituée d'un corps (10) comportant une cavité cylindrique supérieure (11) destinée à recevoir le piston (111) d'un vérin (110) dont la face inférieure est solidaire d'une tige de pilotage (112) qui pénètre dans une cavité inférieure (12) pourvue d'un orifice d'entrée latéral (12B) et d'un orifice de sortie inférieur (12A) et adaptée pour recevoir un élément d'obturation mobile (120) pourvu d'un conduit d'admission (120b) communiquant avec l'orifice d'entrée (12B) et d'un conduit d'éjection (120a) débouchant dans l'orifice de sortie (12A) et susceptible d'être obturé par ladite tige de pilotage (112); ledit élément d'obturation (120) définissant avec les parois internes de ladite cavité inférieure (12) d'une part une chambre supérieure (121) dans laquelle ladite tige de pilotage (112) est susceptible de faire saillie et débouchent lesdits conduits d'admission (120b) et d'éjection (120a) et d'autre part une chambre périphérique inférieure (122) communiquant avec l'orifice d'entrée (12B) et susceptible de s'ouvrir directement sur l'orifice de sortie (12A) lorsque ledit élément d'obturation (120) est en position haute. 2. Servo-valve selon la revendication 1, caractérisée en ce que la face supérieure du piston (111) est soumise à l'action d'un ressort hélicoïdal (113) logé dans la cavité cylindrique supérieure (11). 3. Servo-valve selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la face supérieure du piston (111) est solidaire d'une tige de commande (114) coopérant avec des moyens de contrôle de la position du vérin. 4. Servo-valve selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que ladite tige de pilotage (112) comporte un conduit interne d'équilibrage (102) débouchant dans ladite chambre supérieure (121) de la cavité inférieure (12) et communiquant avec une chambre d'équilibrage (1 la) située dans la cavité supérieure (11) au niveau de la face supérieure du piston (111). 5. Servo-valve selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que ledit vérin (110) est un vérin à double effet. 6. Servo-valve selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit vérin (110) est commandé par un circuit électronique associé à un système hydraulique (2, 2') fonctionnant en boucle ouverte ou fermée. 7. Servo-valve selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le conduit d'admission (120b) débouche dans ladite chambre supérieure (121) par une buse (121b). 8. Servo-valve selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'extrémité inférieure de la tige de pilotage (112) a un profil adapté à l'embouchure du conduit d'éjection (120a). 9. Seno-valve selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les courses respectives de la tige de pilotage (112) et de l'élément d'obturation (120) sont sensiblement identiques et déterminées en fonction des variations de pression recherchées par unité de temps. 10. Procédé de commande d'une presse de forge associée à un pot de presse (F) et à des accumulateurs hydrauliques (H) au moyen d'un circuit hydraulique comprenant notamment une servo-valve (1) selon l'une des revendications 1 à 9, au moins une pompe (P1,P2...) à débit constant et un réservoir (R), caractérisé en ce qu'on effectue successivement selon un cycle: - l'ouverture partielle de la servo-valve tout en by-passant le débit de la pompe ce qui a pour effet d'abaisser la pression dans le pot de presse (F) jusqu'à une valeur de pression prédéterminée; ladite ouverture de la servo-valve (1) s'obtenant en déplaçant vers le haut l'élément d'obturation (120) suivant une loi de mouvement appropriée, - l'augmentation rapide et continue de l'ouverture de la servo-valve pour évacuer l'huile du pot de presse (F) ainsi que le débit des pompes vers le réservoir (R), - la remontée de la presse au moyen des accumulateurs hydrauliques (H) à une vitesse contrôlée par le débit de sortie de la servo-valve (1), - la fermeture partielle puis complète de la servo-valve obtenue en déplaçant vers le bas l'élément d'obturation (120) pour provoquer successivement le ralentissement, puis l'arrêt du mouvement ascendant de la presse et enfin la descente de la presse. 11. Circuit hydraulique de commande d'une presse de forge comprenant notamment au moins une pompe (P1,P2....), reliée par des tuyauteries au pot de presse, caractérisé en ce qu'il comprend une servo-valve (1) selon l'une des revendications 1 à 9, montée entre le pot de presse F et un réservoir d'huile R tandis que la pompe P1, P2 ... est à débit constant et communique directement avec le pot de presse F, pour former un circuit hydraulique ouvert dans lequel l'huile circule à sens unique. 12. Circuit selon la revendication 11, caractérisé en ce que la servo-valve (1) est montée en dérivation à partir du pot de presse (F).