Brevet FR3065272A1 — publié le 20181019

Procédé de fabrication d'un joint métallique massif pour robinets à papillon à triple excentration. La présente invention se situe dans le domaine 5 technique des appareils de robinetterie, et concerne plus particulièrement les robinets à papillon à triple excentration. Dans ces appareils, lorsqu'ils sont installés en milieu fermé de type canalisation, tuyauterie ou conduite, le principe est que le 10 sectionnement et le contrôle du débit du fluide véhiculé dans la conduite sont réalisés par un élément obturateur de type disque mobile appelé papillon en rotation par rapport à un axe orienté transversalement à la canalisation. 15 Le diamètre du papillon et le diamètre intérieur du conduit tubulaire sont, au moins dans une perspective théorique, égaux de sorte que lorsque le papillon est orienté sensiblement perpendiculairement à l'axe du conduit, il occupe la totalité de l'espace disponible 20 dans la section intérieure du conduit, empêchant le fluide de circuler. Lorsqu'il est pivoté d'un quart de tour, le papillon - qui est d'épaisseur aussi réduite que possible - n'occupe qu'une fraction minimale de ladite section intérieure et libère le passage du 25 fluide. Dans les positions intermédiaires, l'espace obturé varie entre la position fermée et la position précitée libérant l'espace maximal, et peut être commandé de manière à assurer une régulation contrôlée du débit de fluide. En somme, les fonctions à assurer 30 sont les suivantes : sectionner l'écoulement du fluide en garantissant l'étanchéité, ou régler ledit écoulement en position d'ouverture partielle ou totale (rotation de 900) du papillon. 3065272 2 On imagine cependant aisément qu'entre la vision parfaitement théorique d'un simple papillon mobile dans une tuyauterie et les solutions répondant dans la réalité aux contraintes et problématiques pratiques variées liées au fonctionnement, le différentiel technique peut être important. Dans les configurations réellement utilisées, pour assurer un fonctionnement adapté à des débits et des dimensionnements très variables, les enjeux techniques simplement liés à l'étanchéité à assurer sont déjà multiples, bien qu'il ne s'agisse que d'un seul des problèmes à solutionner. Sont concernés notamment des problématiques de joints, des solutions relatives à des systèmes de siège de l'organe d'obturation à géométrie parfois complexe, des formes à donner au papillon et au joint dans la perspective de la gestion des débits autant que pour garantir l'étanchéité au contact du siège, etc.. Il existe en pratique de nombreux types de robinets à papillon, obéissant à des spécificités technologiques variées, et parmi lesquelles le choix s'effectue sur la base de critères par exemple de performance, dans la perspective de l'application qui en sera faite. Ainsi, les robinets à papillon à triple excentration, concernés par la présente invention, sont considérés comme des robinets à très hautes performances. La dénomination triple excentration signifie en l'occurrence que l'axe de rotation du disque est excentré : 1. Par rapport au plan médian du joint d'étanchéité, 2. Par rapport à l'axe longitudinal de la conduite, 3. Par rapport à l'axe de l'usinage conique du siège et du joint d'étanchéité, par des process d'usinages coniques inclinés classiques. Chaque opération d'usinage 3065272 3 est alors basée sur un cône dont l'axe est concourant à l'axe longitudinal de la conduite, conférant la forme elliptique à la ligne extérieure médiane du joint d'étanchéité. Parmi ses avantages notables, le robinet à 5 triple excentration assure un faible couple et un positionnement du papillon sans frottement du joint sur le siège, contribuant aux performances élevées requises. La question de l'étanchéité se pose évidemment en fin de rotation du papillon, lorsque le joint qui y est 10 monté arrive au contact du siège. Pour assurer une bonne étanchéité, le joint du papillon doit présenter une parfaite superposition au siège. Dans les solutions actuellement mises en oeuvre, les joints de papillon sont composés d'un assemblage de 15 plaques minces d'acier et de feuilles de graphite, l'ensemble lamellaire ainsi créé autorisant un léger effet de flexibilité, suffisant pour compenser les petites imperfections des états de surface et pour garantir une étanchéité appropriée. Cette structure 20 lamellaire n'est cependant pas adaptée à tous les types de fonctionnements : ainsi, en présence de températures basses, ou si le fluide véhiculé par la conduite contient trop d'impuretés, le joint ainsi structuré s'abime très vite, et doit par conséquent être 25 fréquemment changé pour conserver le niveau d'étanchéité requis. Sur un plan strictement économique, cette option n'est pas acceptable car elle accroît considérablement les coûts d'exploitation, la multiplication du prix du 30 composant proprement dit s'ajoutant aux coûts de maintenance liés à la répétition du temps consacré à son remplacement. 3065272 4 L'invention remédie à ce problème, en proposant un joint non plus lamellaire mais massif, réalisé à partir d'un seul matériau métallique qui supprime la fragilité inhérente à la structure stratifiée existante. Le 5 problème est que compte tenu des caractéristiques géométriques pointues nécessitées par les contraintes mécaniques et hydrauliques liées à ce type de joints et à leurs contextes d'utilisation, une fabrication stratifiée est bien plus facile à réaliser qu'une 10 fabrication massive. Cette dernière nécessite un procédé spécifique dont la mise en oeuvre répond à des caractéristiques et contraintes particulières. Sur le plan de l'industrialisation, au premier chef, le procédé doit être adapté à la production - à des 15 coûts raisonnables - de séries de joints pour des dimensions variées. Ensuite, sur un plan purement technique, il faut que la fabrication garantisse que le joint métallique massif obtenu présente une structure permettant d'aboutir, en fonctionnement, à une 20 étanchéité au moins égale à celle des joints stratifiés de l'art antérieur. Pour remplir ces objectifs, et d'autres qui seront apparents à la lecture de la description qui suit, le procédé de l'invention, visant à la fabrication d'un tel 25 joint métallique massif pour robinets à papillon à triple excentration, comporte les étapes suivantes : -ébauche par tournage cylindrique d'une structure métallique massive à volume complexe composé de deux volumes primaires, une portion cylindrique et une 30 portion de cône de révolution coaxiale à la portion cylindrique et de grande base de diamètre inférieur au diamètre de la portion cylindrique, ladite grande base 3065272 5 étant coplanaire au plan de séparation transversal des deux volumes primaires ; -réalisation d'un alésage central dans le volume complexe ; 5 - solidarisation du volume complexe à deux plaques fixes placées de part et d'autre dudit volume et centrage par rapport à ces plaques au moyen d'au moins une cale de centrage placée dans l'alésage ; -repérage de la position angulaire initiale de 10 solidarisation auxdites plaques du volume complexe dans un référentiel fixe ; -usinage conique incliné de la périphérie de la portion cylindrique suivant un premier cône selon un premier état de surface prédéterminé Ra, en vue d'obtenir un 15 premier volume tronconique oblique dont la dimension de la grande base suivant le grand axe a une cote finale prédéterminée hpj' obtenue avec une tolérance t prédéterminée ; -retournement du volume complexe entre les plaques 20 fixes, centrage au moyen de ladite cale de centrage placée dans l'alésage, puis déplacement angulaire de 1800 selon l'axe des plaques par rapport à la position angulaire initiale ; -usinage conique incliné de la périphérie de la portion 25 cylindrique suivant un second cône selon un second état de surface prédéterminé R'a, en vue d'obtenir un second volume tronconique oblique situé sur le premier volume tronconique, à l'interface avec la portion de cône de révolution, dont la dimension de la grande 30 base suivant le grand axe a une cote finale prédéterminée hpj" obtenue avec une tolérance t prédéterminée. 3065272 6 Le procédé de l'invention est donc obtenu par une succession d'opérations d'usinages simples, en pratique des passes de tournage, séparées par un repositionnement de la pièce à usiner, garantes de son bon niveau 5 d'industrialisation. Ces opérations successives permettent d'obtenir par usinage une superposition parfaite de deux pièces tronconiques obliques. De plus, les cônes définissant les deux usinages elliptiques successifs sont géométriquement proches, voire 10 identiques, aboutissant finalement à la génération d'un second volume tronconique oblique de longueur axiale (selon l'axe du volume complexe) très réduite. Cette particularité dimensionnelle permet de se rapprocher le plus possible de l'objectif d'obtention d'un joint 15 « couteau », ce type de joint réduisant au maximum la portée de contact, à la fermeture de la vanne papillon. En somme, l'un des intérêts principaux du procédé de l'invention réside dans la possibilité de fabriquer un tel joint massif par simple usinage, ce qui n'a rien 20 d'évident au vu des contraintes de départ. Ce procédé est au surplus en quelque sorte « universel » en ce qu'il est applicable de la même manière quelles que soient les dimensions des joints. Outre sa robustesse et sa fiabilité dans la plupart 25 des environnements de fonctionnement, le joint massif issu du procédé de l'invention est particulièrement adapté à des conditions d'utilisation extrêmes comme la cryogénie, ou en présence de fluides visqueux susceptibles de produire du colmatage ou de polymériser 30 au niveau des portées d'étanchéité, ou encore lorsque les fluides sont chargés en particules. Les valeurs des états de surface et des cotes des grands axes des volumes tronconiques sont prévues pour 3065272 7 s'adapter à la configuration et aux dimensions de la conduite à équiper du robinet à papillon, en vue de réaliser une étanchéité totale. Plus précisément, le procédé de l'invention peut être 5 tel que : - le premier usinage conique incliné est réalisé suivant un cône dont une génératrice est colinéaire à une génératrice de la portion cylindrique, 10 - le repérage concerne la position linéaire de ladite génératrice ; - le second usinage conique incliné s'effectue suivant un cône dont une génératrice est colinéaire à la position linéaire repérée. 15 Le repérage des positions d'usinage conique incliné est en effet extrêmement important au regard du procédé et de la précision requise pour aboutir à l'étanchéité totale. En outre, comme évoqué, les deux cônes d'usinage 20 peuvent être identiques, ce qui conduit à simplifier encore le procédé et à le rendre industriellement plus attractif. Selon une possibilité additionnelle, le premier état de surface Ra mentionné auparavant peut de préférence 25 être compris entre 0,7 et 0,9. Plus particulièrement encore, il peut être fixé à 0,8. De même, le second état de surface R'a est de préférence compris entre 0,3 et 0,5 et plus particulièrement fixé à 0,4. Ces états de surface garantissent en pratique que le 30 seuil d'étanchéité totale recherché soit atteint. En particulier, la valeur demandée pour le second état de surface est caractéristique d'une opération de 3065272 8 rectification, nécessaire en l'occurrence pour garantir ce seuil. Par ailleurs, au titre du procédé de l'invention, la tolérance t des cotes hpj' et hpj" est de préférence 5 comprise entre ± 0,04 et ± 0,06 et plus particulièrement fixée à ± 0,05. Enfin, selon des ordres de grandeur indicatifs, l'usinage conique incliné peut être réalisé selon des profondeurs de passe de l'ordre de C/D avec : 10 C = (cote recherchée - la cote mesurée), et D compris entre 2,15 et 2,16 et de préférence égal à 2,155 pour un angle de cône de 30°. Cette valeur d'angle n'est bien entendu qu'un exemple possible, non limitatif, d'angle d'usinage elliptique. 15 L'invention concerne également le joint métallique massif obtenu à l'aide du procédé décrit ci-dessus. Les dimensions de ce joint dépendent bien entendu de celles de la conduite à équiper. Ainsi, selon l'invention, la hauteur du plan de joint, qui correspond à la grande 20 dimension de l'ellipse au niveau de ce plan de joint, est comprise entre 0,90 et 0,98 fois le diamètre de la conduite à équiper. Et, pour obtenir la portée surfacique réduite dont il a été question ci-dessus, c'est-à-dire l'effet 25 « couteau » propre à augmenter l'efficacité de l'étanchéité lors du contact joint/siège, ledit joint est par exemple tel que la cote hpj' est comprise entre 1,0019 et 1,0021 fois la hauteur du plan de joint et la cote hpj" est comprise entre 1,0009 et 1,0011 fois la 30 hauteur du plan de joint. Ou, pour exprimer les caractéristiques dimensionnelles différemment toujours avec le même objectif d'aboutir autant que possible à l'optimisation de la fonction 3065272 9 assurée, le joint de l'invention peut être prévu de sorte que la dimension du second volume tronconique oblique, prise dans la direction de l'axe du volume complexe est comprise entre 0,0019 et 0,0021 fois la 5 hauteur du plan de joint. L'invention va à présent être décrite plus en détail, en référence aux figures annexées qui représentent un exemple de mise en oeuvre non limitatif de l'invention, et pour lesquelles : 10 - la figure 1 représente en coupe un schéma simplifié de la première phase d'usinage mise en oeuvre selon le procédé de l'invention, après son achèvement ; et - la figure 2 montre, selon une même coupe illustrant 15 le même schéma simplifié, la seconde phase d'usinage après réalisation, achevant la mise en oeuvre dudit procédé en vue de fabriquer un joint métallique massif pour un robinet à papillon à triple excentration. 20 En référence à la figure 1, le volume complexe constituant l'ébauche obtenue par tournage cylindrique lors d'une phase préliminaire précédant le procédé de l'invention proprement dit est constitué par la superposition d'une portion cylindrique 1 et d'une 25 portion conique 2 de révolution coaxiales. La fraction 3 de la portion cylindrique 1 représentée en traits pointillés est précisément usinée au cours de la première phase d'usinage conique incliné, objet de la figure 1, et qui va être décrite dans la suite. Ce 30 volume complexe a une épaisseur, selon l'axe AA', notée EJ, qui est sensiblement équivalente à l'épaisseur du joint lamellaire écrasé correspondant de l'art antérieur. Dans cette épaisseur EJ totale, la portion 1 3065272 10 présente une épaisseur notée J2 alors que la portion conique est d'épaisseur J1. Pour l'usinage proprement dit, ledit volume complexe est fixé entre deux plaques, une plaque 5 dite 5 « papillon » et une plaque 6 dite « contre-joint », trois cales de centrage 7 apparaissant en traits pointillés. Pour les opérations d'usinage successives, il est bien entendu nécessaire d'immobiliser complètement l'ébauche, et de repérer très précisément 10 les positions dans lesquelles ladite immobilisation est réalisée au cours des phases successives de l'usinage. Une première phase d'usinage de l'ébauche consiste en un usinage oblique selon un premier cône Cl, qui aboutit à enlever la matière constituant, en section telle que 15 au volume tronqué 1 représenté en section, la fraction 3 de la portion cylindrique ayant disparu. Extrapolé en trois dimensions, l'axe du cône Cl non concourant à AA' produit un usinage elliptique de la portion cylindrique 1. A l'issue de cette opération, le grand axe de la 20 grande base 4 de la portion usinée (celle qui fait en réalité l'interface, dans le volume complexe de l'ébauche, avec la portion de volume conique 2) a pour longueur hpj', avec une tolérance de ± 0,05. Cette phase d'usinage, réalisée en respectant une profondeur de 25 passe qui dépend notamment de l'angle Cl du cône d'usinage, respecte un état de surface final Ra de l'ordre de 0,8. Un repérage précis de la position angulaire de l'ébauche pendant cette phase d'usinage est réalisé en vue de réaliser la suite dans de bonnes 30 conditions. Le volume complexe est ensuite déplacé pour une seconde phase d'usinage. Il est d'abord retourné de sorte que ses deux faces d'allure perpendiculaires à 3065272 11 l'axe AA' soient inversées par rapport à la plaque papillon 5 et au contre-joint 6, un centrage précis étant au surplus toujours assuré par la cale de centrage 7. Ce retournement s'accompagne ensuite d'un 5 repositionnement angulaire très précis de la périphérie du volume complexe, calculé à partir du repérage de la position initiale, c'est-à-dire celle de la première phase d'usinage. Angulairement, l'ébauche est tournée de 1800 pour aborder la seconde phase d'usinage. 10 Celle-ci comporte un nouvel usinage oblique de cône d'angle C2, le cas échéant identique à Cl, aboutissant à générer un nouveau volume tronconique elliptique 8 sur la portion volumique 1 et à l'interface avec la seconde portion 2 conique du volume complexe du joint massif. La 15 dimension axiale (c'est-à-dire en l'occurrence selon l'axe AA') de cette nouvelle partie, référencée D, est très réduite précisément pour obtenir les avantages d'un joint de type « couteau » mentionnés précédemment, à savoir une portée surfacique de contact réduite à la 20 fermeture. La dimension hpj" du grand axe issu de l'usinage conique incliné doit être obtenue avec une tolérance faible, de l'ordre de 0,05 permettant de garantir, en combinaison avec les états de surface obtenus, une étanchéité totale. A cet égard, l'état de 25 surface requis à l'issue de cette seconde phase d'usinage oblique est de l'ordre de Ra' = 0,04 (rectification). Il est à noter que l'état de surface qui est nécessaire côté siège est le même, et que les cotes d'usinage du siège sont les mêmes que pour les 30 joints lamellaires traditionnels : il n'y a donc pas de travail supplémentaire à réaliser côté siège par rapport à ce qui se faisait dans l'art antérieur. 3065272 12 Dans les deux phases d'usinage conique incliné, comme déjà mentionné, la profondeur de passe à respecter est égale à la valeur obtenue en faisant la différence (cote recherchée - cote mesurée), divisée par un coefficient, 5 en l'occurrence, mais uniquement à titre indicatif, de l'ordre de 2,155 pour un angle Cl ou C2 de 300. La valeur de cet angle n'est qu'un exemple possible. A noter que la référence EJ apparaissant en figure 1 désigne l'épaisseur du joint, et que cette épaisseur 10 obéit par exemple aux contraintes relationnelles suivantes par rapport à la hauteur du plan de joint (hpj) dont il a été fait état auparavant : - EJ = 0,025 x hpj en construction 25 bar ; - EJ = 0,033 x hpj en construction 50 bar ; et 15 - EJ = 0,04 x hpj en construction 100 bar. L'invention ne se limite pas à l'exemple décrit et expliqué en référence aux figures, qui ne doit être considéré que comme une simple illustration non exhaustive de l'invention. Celle-ci englobe au contraire 20 les variantes notamment de forme entrant dans la portée des revendications. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'un joint métallique massif pour robinets à papillon à triple excentration caractérisé par les étapes suivantes : - ébauche par tournage cylindrique d'une structure métallique massive à volume complexe composé de deux volumes primaires, une portion cylindrique 1 et une portion de cône de révolution 2 coaxiale à la portion cylindrique 1 et de grande base de diamètre inférieur au diamètre de la portion cylindrique 1, ladite grande base étant coplanaire au plan de séparation transversal des deux volumes primaires 1 et 2 ; - réalisation d'un alésage central dans le volume complexe ; - solidarisation du volume complexe à deux plaques 5, 6 fixes placées de part et d'autre dudit volume et centrage par rapport à ces plaques 5, 6 au moyen d'au moins une cale de centrage 7 placée dans l'alésage ; - repérage de la position angulaire initiale de solidarisation auxdites plaques 5, 6 du volume complexe dans un référentiel fixe ; - usinage conique incliné de la périphérie de la portion cylindrique 1 suivant un premier cône Cl selon un premier état de surface prédéterminé Ra, en vue d'obtenir un premier volume tronconique 1 oblique dont la dimension de la grande base suivant le grand axe a une cote finale prédéterminée hpj' obtenue avec une tolérance t prédéterminée ; 3065272 14 - retournement du volume complexe entre les plaques fixes, centrage au moyen de ladite cale de centrage 7 placée dans l'alésage, puis déplacement angulaire de 1800 selon l'axe des plaques 5, 6 par rapport à la position 5 angulaire initiale ; - usinage conique incliné de la périphérie de la portion cylindrique suivant un second cône C2 selon un second état de surface prédéterminé R'a, en vue d'obtenir un second volume tronconique 8 oblique situé sur le premier 10 volume tronconique 1, à l'interface avec la portion de cône de révolution 2, dont la dimension de la grande base suivant le grand axe a une cote finale prédéterminée hpj" obtenue avec une tolérance t prédéterminée. 2. Procédé de fabrication d'un joint métallique massif selon 15 la revendication précédente, caractérisé en ce que : - le premier usinage conique incliné est réalisé suivant un cône Cl dont une génératrice est colinéaire à une génératrice de la portion cylindrique 1, - le repérage concerne la position linéaire de ladite 20 génératrice ; - le second usinage conique incliné s'effectue suivant un cône C2 dont une génératrice est colinéaire à la position linéaire repérée. 3. Procédé de fabrication d'un joint métallique massif selon 25 l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les deux cônes d'usinage Cl et C2 sont identiques. 4. Procédé de fabrication d'un joint métallique massif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier état de surface Ra est compris entre 0,7 et 0,9, de préférence fixé à 0,8. 3065272 15 5. Procédé de fabrication d'un joint métallique massif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le second état de surface R'a est compris entre 0,3 et 0,5, de préférence fixé à 0,4. 5 6. Procédé de fabrication d'un joint métallique massif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la tolérance t des cotes hpj' et hpj" est comprise entre ± 0,04 et ± 0,06 et de préférence fixée à ± 0,05. 7. Procédé de fabrication d'un joint métallique massif selon 10 l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'usinage conique incliné est réalisé selon des profondeurs de passe de l'ordre de C/D avec : C = (cote recherchée - la cote mesurée), et D compris entre 2,15 et 2,16 et de préférence égal à 2,155 15 pour un angle de cône de 30°. 8. Joint métallique massif obtenu par le procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la hauteur du plan de joint est comprise entre 0,90 et 0,98 fois le diamètre de la conduite à équiper. 20 9. Joint métallique massif obtenu par le procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la cote hpj' est comprise entre 1,0019 et 1,0021 fois la hauteur du plan de joint et la cote hpj" est comprise entre 1,0009 et 1,0011 fois la hauteur du plan de joint. 25 10. Joint métallique massif selon l'une des revendications 8 et 9, caractérisé en ce que la dimension D du second volume tronconique oblique prise dans la direction de l'axe du volume complexe est comprise entre 0,0019 et 0,0021 fois la hauteur du plan de joint. 30