Brevet FR2828418A1 — publié le 20030214

Dispositif de sélection de billes sphériques Domaine technique de l'invention L'invention concerne un dispositif de sélection de billes sphériques comportant des moyens d'amenée des billes sur un premier plan incliné. État de la technique Il existe de nombreux procédés et dispositifs de granulation, appliqués dans de nombreux domaines industriels, que ce soit dans la métallurgie, les fertilisants, l'industrie alimentaire ou pharmaceutique, etc... Ils ont tous pour objectif de transformer en billes des matériaux préalablement fondus, qui ont, à l'air ou sous gaz neutre, une faible viscosité, une bonne tension superficielle, une bonne facilité à s'écouler au travers d'orifices et sont susceptibles d'être solidifiés par refroidissement. À titre d'exemple, le document WO-A-8101811, correspondant au brevet US 4428894, décrit un procédé et un dispositif de fabrication de granulés métalliques, de 0,1 à 5 mm de diamètre, à partir d'un bain de métal en fusion. Selon ce procédé connu, on forme un jet de métal fondu, on le fait passer à travers un orifice vibrant pour diviser le jet en gouttes individuelles, on fait tomber les gouttes du jet par gravité à travers une atmosphère de gaz inerte, de manière à provoquer par refroidissement la solidification des gouttes en granulé. Quel que soit le matériau (produit organique, métal...) granulé par ce type de technique, il arrive fréquemment qu'un certain pourcentage de la production soit constituée par des billes fortement déformées ou par des billes collées entre elles, souvent par paire, une telle paire étant nommée haltère. Or, il est indispensable, pour certaines applications, de produire des billes, plus spécifiquement des microbilles, qui non seulement ont un diamètre uniforme mais sont aussi parfaitement sphériques et isolées. Dans l'industrie mécanique, lorsque les billes sont constituées par un matériau de dureté relativement élevée, on utilise généralement des dispositifs de sélection, ou de tri, comportant des tamis, des rouleaux, etc... C'est le cas notamment des billes pour roulement, pour stylo, etc... Les billes peuvent alors supporter des chocs et des frottements sans que leur surface soit marquée. Par contre, dans certains cas, la sphéricité et l'état de surface des billes ne doivent pas être altérés par le dispositif de sélection. C'est, notamment, le cas pour les billes d'alliage de soudure destinées à être utilisées en électronique pour former des connexions, par exemple pour des boîtiers de type BGA ( Ball Grid Array ). En effet, les matériaux utilisés dans les alliages de soudure sont des métaux tendres et l'état de surface d'une bille constituée par de tels métaux peut être très facilement altéré. Objet de l'invention L'invention a pour but un dispositif de sélection de billes sphériques permettant de trier des billes de diamètre uniforme, de manière à écarter la totalité des billes qui ne sont pas parfaitement sphériques. Selon l'invention, ce but est atteint par le fait que le dispositif comporte une succession de plans inclinés, séparés par des espaces de dimensions prédéterminées, au moins le premier plan incliné, dans le sens de déplacement des billes, ayant une surface dont la rugosité est plus importante que celle des plans inclinés suivants. Selon un mode de réalisation préférentiel, les moyens d'amenée des billes sur le premier plan incliné comportent un plan de roulement, des moyens de butée, des moyens d'éjection pour éjecter du plan de roulement, par saccades, les billes venant en butée contre les moyens de butée. Les moyens d'éjection comportent, de préférence, une rampe creuse, animée d'un mouvement latéral de va-et-vient et munie d'une pluralité d'éjecteurs d'air répartis uniformément le long de la rampe. Selon une autre caractéristique de l'invention, les moyens d'amenée des billes sur le premier plan incliné comportent un tapis roulant ayant une face inclinée dans la même direction que les plans inclinés et un sens de rotation opposé au sens de roulement des billes sur ladite face. Un autre but de l'invention concerne l'élimination des billes collées entre elles. Selon un développement de l'invention, cet autre but est atteint par le fait que le dispositif comporte, en aval des plans inclinés, une roue dentée animée d'un mouvement de rotation autour d'un axe incliné et comportant des rainures longitudinales dont les dimensions permettent le roulement d'une bille isolée et empêchent le roulement d'une paire de billes collées. Description sommaire des dessins D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs, et représentés aux dessins annexés, dans lesquels : La figure 1 représente, sous forme schématique, un mode de réalisation particulier d'un dispositif selon l'invention. Les figures 2 et 3 représentent plus en détail, respectivement en vue de côté et en vue de dessus, un mode particulier de réalisation de la partie du dispositif située en amont des plans inclinés du dispositif selon la figure 1. La figure 4 représente un mode particulier de réalisation du plan de roulement de sortie de la trémie d'un dispositif selon la figure 3, vu de l'extrémité libre du plan de roulement. Les figures 5 et 6 illustrent les positions respectives de la rampe mobile et du plan de roulement de sortie de la trémie pour deux positions extrêmes de la rampe. La figure 7 représente, en coupe, la roue dentée du dispositif selon la figure 1. La figure 8 illustre le positionnement d'une paire de billes bloquées à l'intérieur d'une rainure de la roue dentée selon la figure 7. Description de modes particuliers de réalisation Il a déjà été proposé de trier des produits sphériques de différents diamètres ou présentant des malformations importantes au moyen d'un plan incliné, le tri s'effectuant en fonction des vitesses acquises par les différentes billes. Selon l'invention, ce type de tri est adapté au tri de billes ayant déjà, avant l'opération de tri, toutes le même diamètre, avec des tolérances étroites, mais dont la sphéricité varie, dans une plage relativement étroite. Le tri a alors pour but d'éliminer toutes les billes qui ne sont pas parfaitement sphériques et qui n'ont pas un état de surface parfait. Dans le mode de réalisation représenté à la figure 1, le dispositif comporte un bac, sous la forme d'une trémie 1, dans lequel sont placées les billes à trier. Un tel bac est, par exemple, disposé en sortie d'un dispositif de fabrication de granulés métalliques du type décrit dans le document WO-A-8101811. Les billes sont amenées sur une succession de plans inclinés 2a, 2b, 2c et 2d. Chaque plan incliné est situé légèrement au-dessous du plan incliné précédent et un espace horizontal et sépare deux plans inclinés successifs. Les espaces vides entre les plans inclinés permettent d'éliminer les billes qui parviennent à l'extrémité d'un plan incliné sans avoir acquis une vitesse suffisante pour passer sur le plan incliné suivant sans tomber entre les deux plans inclinés successifs. Les plans inclinés n'ont pas tous le même état de surface et celui-ci est parfaitement contrôlé pour chaque diamètre de billes à trier. En effet, la vitesse des billes dépend des effets combinés de plusieurs types de forces, notamment de la gravité, des forces de frottement, des forces aérodynamiques, de l'interaction avec les surfaces de roulement, etc... Les plans inclinés sont, de préférence, constitués par des tôles dont la surface a une rugosité contrôlée, plus importante pour au moins l'un des premiers plans inclinés, dans le sens de déplacement des billes. La rugosité du premier plan incliné 2a est supérieure à celle des plans inclinés suivants, de manière à ralentir de manière plus importante les billes présentant des défauts de surface. La trajectoire d'une telle bille sur une surface présentant, elle aussi, des défauts bien déterminés est en effet plus complexe, ce qui tend à ralentir la bille, provoquant sa chute entre les plans inclinés 2a et 2b par exemple. La surface des plans inclinés est traitée par tout moyen approprié, par exemple par sablage ou microbillage, pour obtenir la rugosité désirée. Dans un mode de réalisation préférentiel, les deux premiers plans inclinés 2a et 2b présentent une rugosité importante, qui peut être plus faible pour le second. Le dernier plan incliné 2d, éventuellement les deux derniers plans inclinés 2c et 2d, peut avoir une surface parfaitement lisse. L'interaction entre les défauts de surface des billes et l'état de surface des plans inclinés permet ainsi d'éliminer rapidement les billes défectueuses. La pente de chaque plan incliné et les espaces séparant deux plans inclinés successifs sont déterminés, en fonction du diamètre des billes, pour que les billes de très bonne sphéricité roulent sur les plans inclinés avec une vitesse suffisante pour passer d'un plan incliné au suivant. Chaque plan incliné comporte, à sa partie amont, une courbure, vers le haut, destinée à atténuer les chocs à la réception des billes sur le plan incliné et à éviter tout rebond des billes. À titre d'exemple, pour la sélection de microbilles d'alliage de soudure, dont le diamètre est typiquement inférieur à SOOm, chaque plan incliné a, en projection sur l'horizontale, une longueur L, qui peut être de l'ordre de 10 à 15cm, et une largeur qui peut être de l'ordre d'lm. L'espace vertical e2 séparant deux plans inclinés successifs peut être inférieur ou égal à 1 cm, tandis que l'espace horizontal e1 peut être de l'ordre de 1cm à 3cm. Le nombre de plans inclinés est inversement proportionnel à la taille des billes, de préférence compris entre 2 et 5. Par ailleurs, plus les billes sont lourdes, plus elles roulent vite. En conséquence, l'inclinaison des plans inclinés doit être faible pour permettre une bonne sélection. Les billes sortant de la trémie 1 sont amenées sur le premier plan incliné 2a par l'intermédiaire d'un plan de roulement 3, légèrement incliné, prolongeant le fond de la trémie 1. Les billes sortent à la base de la trémie 1 par un passage étroit 4, sous l'action des forces de gravité, de manière à constituer une seule couche de billes roulant sur le plan de roulement. À l'extrémité libre du plan de roulement 3, les billes viennent en butée contre une butée 5. Sur les figures 1 à 3, la butée 5 est constituée par un cylindre disposé au moins sur toute la largeur du plan de roulement 3, perpendiculairement au sens d'écoulement des billes sur le plan de roulement 3. Les billes s'alignent ainsi devant la butée 5. Un espace, inférieur au diamètre d'une bille, sépare l'extrémité libre du plan de roulement 3 de la butée 5. Les billes alignées devant la butée 5 sont éjectées par saccades du plan de roulement. L'éjection est, de préférence, réalisée par une rampe 6, constituée par un tube creux dans lequel circule en continu un flux d'air sec comprimé ou de gaz inerte (azote, argon, etc...). La rampe 6 est disposée parallèlement à la butée 5, au-dessous de l'extrémité libre du plan de roulement 3. Elle comporte une pluralité de buses d'air 7, dirigées vers l'espace compris entre l'extrémité libre du plan de roulement et la butée, réparties uniformément le long de la rampe 6 et constituant des éjecteurs destinés à soulever, de préférence par saccades, la rangée de billes alignées devant la butée 5. Pour assurer l'éjection des billes par saccades, la rampe 6 est animée, par un vérin (non représenté), d'un mouvement latéral de va-et-vient, perpendiculairement à la direction d'écoulement des billes (de gauche à droite sur les figures 3,5 et 6) sur le plan de roulement 3. Les positions respectives de la rampe 6 et du plan de roulement 3 pour deux positions extrêmes de la rampe lors de son mouvement de va-et-vient sont représentées aux figures 5 et 6. Le plan de roulement 3 comporte, au moins à son extrémité libre, des obstacles 8, d'épaisseur uniforme (figure 4), triangulaires en vue de dessus, qui le divisent en une pluralité de couloirs 9 de largeur décroissante. Les obstacles 8 font très légèrement saillie à l'extrémité libre du plan de roulement. La base de la section triangulaire d'un obstacle 8, parallèle à l'extrémité libre du plan de roulement 3, a une longueur 11, et les sommets de deux obstacles adjacents sont séparés par une distance 12 (figure 5). Les angles de base des obstacles triangulaires 8 constituent les limites du déplacement des buses d'air 7 dans les deux positions extrêmes de la rampe 6 (figures 5 et 6). Ainsi, en fin de course, lorsque la rampe 6 est dans l'une de ces positions extrêmes, toutes les buses d'air 7 sont placées sous une extrémité d'un obstacle 8. Les jets d'air sortant de la rampe 6 par les buses d'air 7 sont alors canalisés sous les obstacles 8 et ne peuvent éjecter les billes disposées dans les couloirs 9, sur le plan de roulement 3. Par contre, lors du déplacement de la rampe 6, les jets d'air sortant des buses d'air associées à chacun des couloirs provoquent l'éjection de la rangée de billes venant en butée contre la butée 5. L'éjection se fait de manière progressive au fur et à mesure du déplacement des buses d'air. Un temps d'arrêt de la rampe aux deux extrémités permet d'obtenir une éjection intermittente, par saccades, permettant ainsi de libérer totalement la place, en aval, avant l'éjection d'une nouvelle rangée de billes et limitant les interactions entre les billes susceptibles d'altérer leur état de surface. La quantité de billes présentes sur chaque zone de roulement est ainsi régulée et limitée. Dans un mode de réalisation préférentiel 8 obstacles délimitent 7 couloirs 9. La longueur 11 de la base triangulaire des obstacles 8 peut être de l'ordre de 20 à 30mm, pour une distance 12 de l'ordre de 130mm. La durée de déplacement de la rampe entre ses deux positions extrêmes peut, par exemple, être comprise entre 1 s et quelques secondes (fréquence comprise entre 0,1 et 1 Hz). Les billes éjectées sont dirigées par un déflecteur 10 sur une face inclinée d'un tapis roulant 11. Le déflecteur 10, de préférence de forme courbe, délimite avec la butée 5 un passage pour les billes éjectées, qui tombent alors sur une face inclinée du tapis roulant 11, disposé au-dessous de l'ensemble constitué par le plan de roulement 3, la butée 5, la rampe 6 et le déflecteur 10. La face du tapis roulant sur laquelle tombent les billes éjectées est inclinée dans le même sens que les plans inclinés 2a à 2d. Le sens de rotation du tapis roulant 11 est opposé au sens de roulement des billes sur cette face du tapis roulant (figure 1). Les billes ayant une bonne sphéricité roulent sur la face inclinée du tapis roulant, en direction du premier plan incliné 2a. La vitesse de déplacement du tapis roulant est choisie de manière à ce que les billes sphériques roulant sur sa face inclinée en sens inverse de son déplacement atteignent le premier plan incliné. À titre d'exemple, la vitesse du tapis roulant peut être de l'ordre de 0,5 à 5m/mn, de préférence 2m/mn. Le tapis roulant fait une première sélection. En effet, les billes comportant de gros défauts de surface ou les billes doubles, qui ne peuvent pas rouler ou roulent trop lentement sur la face inclinée du tapis roulant, sont évacuées vers l'arrière par le tapis roulant et tombent dans un premier bac 12, tandis que les billes présentant une bonne sphéricité roulent, en sens inverse, jusque sur le premier plan incliné. À la sortie du dernier plan incliné 2d, les billes sélectionnées tombent dans une trémie 13. Une réglette mobile 14 peut être disposée entre le dernier plan incliné 2d et la trémie 13, de manière à effectuer une dernière sélection entre les billes avant leur réception dans la trémie. Sur la figure 1, la réglette 14 comporte une arête supérieure reliant deux parois dont l'une dirige les billes les plus rapides vers la trémie 14, tandis que l'autre évacue les billes plus lentes, qui tombent en amont de l'arête supérieure. Le dispositif décrit ci-dessus permet de sélectionner des billes sphériques de diamètre uniforme en fonction de leur état de surface. Seules les billes ayant un état de surface parfait arrivent jusqu'à la trémie 13. Cependant, il peut arriver que des billes collées atteignent la trémie 13. En pratique, sur environ un million de billes, 2 ou 3 paires de billes collées parviennent jusqu'à la trémie. C'est le cas notamment lorsqu'une paire 18 de billes collées tombe sur le tapis roulant 11, puis sur les différents plans inclinés, de manière à ce que le roulement de la paire ne soit pas ralenti, par exemple lorsque l'axe S de symétrie longitudinal de la paire (figure 8) est parfaitement perpendiculaire au sens de déplacement des billes. Pour éliminer également les billes collées susceptibles d'atteindre la trémie 13, le dispositif est, de préférence, complété par une roue dentée 15 de diamètre important, par exemple de l'ordre de 30cm, disposée en aval des plans inclinés. Dans le mode de réalisation particulier de la figure 1, la trémie 13, en forme d'entonnoir, permet l'écoulement des billes sur la partie supérieure de la roue dentée 15. Celle-ci est animée d'un lent mouvement de rotation autour d'un axe incliné 16 et comporte des rainures longitudinales 17 dont les dimensions permettent le roulement d'une bille isolée et empêchent le roulement d'une paire 18 de billes collées (figures 7 et 8). Les billes sans défaut roulent dans les rainures 17 de la roue dentée et sont récoltées dans un second bac 19 disposé en aval de la roue dentée. Les paires 18 de billes collées bloquées dans les rainures tournent avec la roue dentée autour de l'axe 16 et tombent par gravité dans un troisième bac 20 lorsque la roue dentée a effectué un demi-tour et que la rainure dans laquelle se trouve la paire 18 a atteint la partie inférieure de la roue dentée, au-dessus du troisième bac. La roue dentée 15 comporte, de préférence, plusieurs centaines de rainures. Le fond des rainures 17 a environ de 1,2 à 1,5 fois le diamètre des billes, de manière à ce qu'une paire de billes collées ne puisse pas se placer perpendiculairement à la rainure et rouler dans celle-ci. Pour faciliter le dépôt des billes dans les rainures 17, le sommet des dents de la roue dentée est, de préférence, pointu avec un léger arrondi. Un déflecteur (non représenté) en forme d'arc de cercle épousant le diamètre extérieur de la roue dentée peut être placé perpendiculairement aux rainures 17, de manière à servir de barrière en cas d'engorgement à la sortie de la trémie 13. L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation particuliers décrits et représentés. En particulier la forme, les dimensions, la disposition et le nombre des plans inclinés peut être adapté aux dimensions des billes à sélectionner. La butée 7 peut ne pas être cylindrique. Les formes courbes sont néanmoins avantageuses, des arêtes vives risquant de détériorer l'état de surface des billes. Revendications 1. Dispositif de sélection de billes sphériques comportant des moyens d'amenée des billes sur un premier plan incliné (2a), dispositif caractérisé en ce qu'il comporte une succession de plans inclinés (2a, 2b, 2c, 2d), séparés par des espaces (e1, e2) de dimensions prédéterminées, au moins le premier plan incliné (2a), dans le sens de déplacement des billes, ayant une surface dont la rugosité est plus importante que celle des plans inclinés suivants. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins le dernier plan incliné (2d) a une surface parfaitement lisse. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les moyens d'amenée des billes sur le premier plan incliné comportent un plan de roulement (3), des moyens de butée (5), des moyens d'éjection (6,7) pour éjecter du plan de roulement, par saccades, les billes venant en butée contre les moyens de butée. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens d'éjection comportent une rampe creuse (6), animée d'un mouvement latéral de va-et-vient et munie d'une pluralité d'éjecteurs d'air (7) répartis uniformément le long de la rampe. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens d'amenée des billes sur le premier plan incliné (2a) comportent un tapis roulant (11) ayant une face inclinée dans la même direction que les plans inclinés et un sens de rotation opposé au sens de roulement des billes sur ladite face. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens d'amenée des billes sur le premier plan incliné (2a) comportent des moyens déflecteurs (10) pour diriger les billes éjectées sur la face inclinée du tapis roulant (11). 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte, en aval des plans inclinés (2a, 2b, 2c, 2d), une roue dentée (15) animée d'un mouvement de rotation autour d'un axe incliné (16) et comportant des rainures longitudinales (17) dont les dimensions permettent le roulement d'une bille isolée et empêchent le roulement d'une paire (18) de billes collées. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte des premiers moyens de réception (19) pour les billes sans défaut roulant dans les rainures (17) de la roue dentée (15), les paires (18) de billes collées bloquées dans les rainures (17) tombant par gravité dans des seconds moyens de réception (20) au cours de la rotation de la roue dentée (15).