Brevet FR2753498A1 — publié le 19980320

BROCHE POUR PALIER À GAZ D'UN OUTIL À ROTATION TRÈS RAPIDE Des matériaux céramiques ont déjà souvent fait leurs preuves pour l'emploi dans le cas de paliers à gaz à rotation très rapide (BARTZ, W., entre autres Luftlagerungen/Paliers pneumatiques, 1993, page 22). Pour des vitesses de rotation élevées, il peut se dégager dans les paliers à gaz une force considérable due au frottement, qui croit avec la charge sur le palier et conduit à l'échauffement de l'arbre et du palier. Du fait que les paliers à gaz nécessitent des jeux de palier très étroits (8 à 18 gm), arbre et palier devraient être toujours en matériaux céramiques et posséder donc les mêmes coefficients de dilatation thermique pour éviter une trop grande diminution thermique du jeu du palier. Même si le palier et l'arbre ont le même coefficient de dilatation, on observe, avec la charge sur le palier et donc l'échauffement qui en résulte, une diminution croissante du jeu du palier qui peut même conduire au blocage et à la défaillance du palier. Une raison en est que l'arbre s'échauffe toujours plus fortement que le palier qui peut mieux évacuer la chaleur du fait de sa plus grande surface. Une autre raison en est que, lors de la diminution du jeu du palier, la force de frottement du palier continue encore à croître du fait de la diminution même du jeu, de sorte que le palier atteint très rapidement des températures qui font qu'il ne subsiste plus de jeu du palier et aboutissent finalement au blocage du palier. Un but était de permettre d'avoir un palier en matériaux céramiques (par exemple graphite), l'acier pouvant être employé comme matériau pour l'arbre, sans que les problèmes thermiques apparaissent pour des vitesses de rotation élevées. Toutefois, pour empêcher la diminution du jeu du palier pour des forces de frottement croissantes et donc pour des capacités de charge du palier améliorées, il fallait trouver un matériau céramique qui présente un coefficient de dilatation plus élevé que celui de l'arbre en acier. Comme il n'existe pas de tels matériaux céramiques, on a cherché d'autres possibilités d'influer sur le coefficient de dilatation thermique. On a pu atteindre ce but en insérant le palier, à ajustement serré, dans un manchon à coefficient de dilatation plus élevé. Mais pour pouvoir l'atteindre avec des matériaux de l'arbre favorables, le manchon, assujetti à ajustement serré sur le palier, doit posséder au moins un coefficient de dilatation triple de celui du palier céramique et égal à 1,3 fois le coefficient de dilatation du matériau de l'arbre. Une recherche appronfondie a permis de déterminer que la valeur de la cote de serrage de l'ajustement n'a pas d'influence sur le coefficient de dilatation au niveau du diamètre du jeu du palier, de sorte que l'on peut renoncer à un serrage à ajustement serré à cote précise, avec d'étroites tolérances de fabrication. Toutefois, il est nécessaire de choisir un ajustement suffisamment serré pour exclure qu'à la température maximale possible palier et manchon puissent se dissocier l'un de l'autre. Des calculs et d'autres essais ont montré que l'on peut essentiellement influer sur le coefficient de dilatation au niveau du diamètre du jeu du palier en agissant sur les rapports des épaisseurs de paroi entre le palier céramique et le manchon assujetti sur le palier à ajustement serré. Lorsque l'on fait croître l'épaisseur de la paroi du palier céramique, c'est toujours le coefficient de dilatation du matériau céramique qui va agir sur le diamètre du jeu du palier. Par contre, si c'est l'épaisseur de la paroi du manchon assujetti sur le palier qui croît, c'est le coefficient de dilatation du manchon qui va agir de plus en plus de façon asymptotique. Du fait que lors du serrage entre palier et manchon il ne faut pas dépasser la limite de déformation élastique, le module d'élasticité du matériau du palier à gaz et de celui de l'arbre jouent également un rôle important. En plus des rapports des coefficients de dilatation thermique déterminés ci-dessus, il faut donc également déterminer les rapports des épaisseurs de paroi et des modules d'élasticité. Il est apparu que le produit du module d'élasticité et de l'épaisseur de paroi pour le manchon devait être au moins 1,8 fois supérieur à ce même produit pour le palier. La présente invention a donc pour objet une broche pour le palier à gaz d'un outil à rotation rapide, constituée d'un arbre rotatif porté, dans un carter, en direction radiale et axiale, par au moins un palier à gaz, le palier à action radiale, constitué d'un matériau céramique, étant inséré à ajustement serré, sur toute sa longueur, dans un manchon, caractérisée par le fait que le produit du module d'élasticité par l'épaisseur de paroi pour le manchon est d'au moins 1,8 fois plus élevé que ce même produit pour le palier. Finalement, toutes les valeurs importantes, géométriques et physiques, sont déterminées de façon que soit exclu un jeu de palier à gaz devenant plus étroit même pour une contrainte élevée sur le palier et pour l'échauffement qui y est lié. Mais, il peut également se produire, en fonction de l'échauffement, un léger élargissement du jeu du palier qui toutefois n'a pas d'influence particulièrement négative sur le palier. En effet, par suite de l'élargissement du jeu du palier, la force de frottement du palier à gaz décroît, de sorte que l'échauffement diminue et que l'on obtient rapidement un point d'équilibre, même pour un faible élargissement du jeu. Pour des applications déterminées, il est apparu avantageux de fixer le palier sur des bagues élastiques ou joints toriques dans le carter de broche. On peut employer dans ce but des bagues de caoutchouc. Il est favorable de suspendre le manchon de palier par le milieu dans les bagues élastiques car dans le cas o il y a plusieurs paliers ils s'orientent automatiquement l'un par rapport à l'autre. La figure 1 représente un mode de réalisation du palier conforme à l'invention sous forme d'un palier aérostatique d'une broche de filature à extrémité ouverte. La figure 1 représente une broche de filature 1 qui est fixée, par une liaison 2, rapidement amovible, à l'extrémité d'un embout 7 oscillant librement. A cette extrémité se trouve encore un palier lisse 3 qui limite les écarts d'oscillation lors du passage de la première oscillation propre de l'embout 7 à oscillation libre. Le palier lisse 3 est suspendu au couvercle 4 par des joints toriques et le couvercle 4 est monté, à ajustement serré, dans le carter 2 de la broche. L'arbre 8, porté dans le carter 12 de façon aérostatique en direction radiale et axiale, présente un perçage dans lequel l'embout 7, à oscillation libre, est inséré à ajustement serré, de façon que sa partie la plus mince se trouve entre les deux paliers aérostatiques 6, , car c'est là que s'exerce la force radiale exercée par la broche. A la partie arrière de l'arbre 8 est rapporté, par une liaison à ajustement serré, un disque 11 qui sert pour la portée axiale de l'arbre 8 dans les deux sens. Entre l'arbre 8 et les paliers 6, 10 se trouve le jeu radial du palier, qui est très étroit (10 à 14 Mm) et nécessite donc une grande précision de fabrication. Le matériau de l'arbre est l'acier. Chacun des deux paliers aérostatiques 6, 10 est constitué d'un corps de palier en graphite et d'un manchon 5, 9, en aluminium, assujetti sur le palier à ajustement serré. La cote de serrage entre le corps de palier et le manchon vaut 0,04 à 0,06 mm. Sur chaque manchon d'aluminium 5, 9 se trouve un raccord d'air comprimé 14, 15, le jeu du palier étant alimenté en air comprimé à travers le graphite poreux et par une rainure périphérique dans le manchon. Sur le corps de palier aérostatique arrière 10 est rapporté un collet qui sert à l'appui axial de l'arbre 8. Les deux paliers aérostatiques 6, 10 sont suspendus, de façon non rigide, au carter 12 de la broche par des joints toriques 13, 16. Pour que les joints toriques soient fixés axialement, une rainure est usinée sur le palier et dans le perçage du carter de broche. Pour la suspension élastique du palier dans le carter de broche, des bagues de plastique, des bagues de silicone et des bagues de produit mousse conviennent également. Le palier arrière 10 forme, avec le joint torique 16 et le couvercle 17 un espace sous pression, une force de précontrainte s'exerçant ainsi sur le palier aérostatique axial de façon qu'il puisse subir des forces dans les deux directions. La pression est produite par un étranglement 18 qui se trouve dans le couvercle 17. L'étranglement 18 est constitué d'un bouchon en matériau poreux. REVENDICATIONS 1. Broche (1) pour le palier à gaz d'un outil à rotation rapide, constituée d'un arbre (8) rotatif porté, dans un carter (12), en direction axiale et radiale, par au moins un palier à gaz (6, 10), le palier à action radiale, constitué d'un matériau céramique, étant inséré à ajustement serré, sur toute sa longueur, dans un manchon (5, 9), caractérisée par le fait que le produit du module d'élasticité par l'épaisseur de paroi pour le manchon (5, 9) est d'au moins 1,8 fois plus élevé que ce même produit pour le palier (6, 10). 2. Palier selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le manchon (5, 9) du palier (6, 10) est fixé au carter par des bagues élastiques (13, 16). 3. Palier selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les bagues élastiques (13, 16) sont en caoutchouc. 4. Palier selon la revendication 1, caractérisé par le fait que comme matériau pour l'arbre (8) on emploie l'acier. 5. Palier selon l'une des revendications 1, 3 ou 4, caractérisé par le fait que le matériau du palier (6, 10) est en graphite et que le manchon (5, 9) assujetti sur le palier à ajustement serré est en aluminium. 6. Palier selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'outil à rotation rapide est une broche de filature à extrémité ouverte.