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PROCEDE ET MACHINE POUR POLIR MECANIQUEMENT UNE SURFACE EN MATERIAU MINERAL, PLUS PARTICULIEREMENT EN VERRE
La presente invention est relative ä un procédé pour polir mecaniquement une surface d'un objet fait d'une matière minerale, en particulier du verre, entrainé en rotation autour d'un axe perpendiculaire ä ladite surface, avec une meule
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entrainée en rotation autour d'un axe qui est incliné par rapport ä l'axe de rotation de la surface ä polir, en mettant celle-ci en contact avec la ou les meules susdites sous une pression d'application appropriée et constante pendant la duree du meulage et/ou du polissage, de manière ä balayer cette surface et réaliser une profondeur de passe bien definie.
Elle trouve sa principale application dans la verrerie, la cristallerie et 1a ¯fabrication d'objets céramiques pour parachever une surface mate plus ou moins rugueuse selon les abrasifs utilisés resultant d'une opération d'ébauche, de taille ou d'enlèvement du pontil dans le cas d'une piece moulée.
Le procédé suivant la présente invention est un procédé pour polir mécaniquement une surface plane ou courbe d'un objet en verre, en cristal ou en matériau céramique tel qu'un verre à boire, un vase, un cendrier ou tout autre objet en matériau
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minéral présentant une surface plane ou ä rayon de courbure de 150 mm ä 1 m.
Divers procédés connus sont utilises ä ce jour pour restaurer la brillance des surfaces d'objets en verre, en cristal ou matières céramiques, devenues mates en raison d'une opération de meulage préalable.
Un premier procédé couramment utilisé pour rendre brillante une surface meulée, consite ä immerger la surface ä traiter dans une solution concentrée d'acides fluorhydrique et sulfurique.
L'acide dissout le verre, élimine les asperities des surfaces rugueuses ä traiter et attaque, plus ou moins en profondeur, selon la composition du matériau, de la concentration du bain d'acide et de la duree du temps de contact, les couches sousjacentes destabilisees, dont l'elimination procure la brillance de la surface.
La surface rendue brillante est rincée dans une solution aqueuse alcaline, afin de neutraliser l'acide encore présent ä la surface du verre et stopper ainsi les reactions chimiques qui entrainent la dissolution du verre en profondeur.
Ce procedé largement repandu, notamment dans la gravure du verre et le polissage des pieces d'art en cristal taillé presente cependant de nombreux inconvenients décrits ci-dessous.
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La solution acide attaque le verre, le cristal ou le matériau céramique sur toute la surface en contact avec elle de la pièce immergée.
La solution acide altere les portions de surface non taillees, initialement brillantes de la pièce en verre, cristal ou materiau ceramique formée par pressage ou soufflage et immergée ensuite dans la solution acide. L'attaque à l'acide provoque une surface lisse qui a conservé son aspect brillant, mais presente des pores semblables a ceux d'une peau d'orange. La surface traitée est donc brillante, mais elle est moins lisse que la surface originellement soufflée ou pressee.
En outre, les aretes d'intersection des surfaces taillées et des surfaces produites initialement par soufflage ou pressage, sont émoussées et arrondies par l'attaque ä l'acide. La netteté des aretes vives obtenues par le taillage est dégradée par le traitement a l'acide. En outre, l'eclat originel du verre, du cristal ou du matériau céramique est terni. Après traitement ä l'acide, une piece, bien que taillée évoque plus une pièce pressée ou moulee, suivant l'importance
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de l'attaque à l'acide.
Un deuxième inconvénient du traitement ä l'acide est sa mise en oeuvre difficile et dangereuse. La solution d'acide est très corrosive et les emanations gazeuses de celle-ci sont tres toxiques et une source de dangers graves pour les operateurs.
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Les sels et les composants du verre, notamment les métaux dont le plomb, en suspension dans les liquides de rinçage, représentent un danger tres grave de pollution pour les eaux environnantes. Les normes très strictes actuelles, anti-pollution, ont oblige les verriers utilisant des installations de polissage ä l'acide, d'investir dans des installations d'epuration très couteuses. Cependant, l'epuration n'est pas toujours complete, quoique d'un entretien ä frais très élevés, ce qui amène ä plus ou moins long terme les autorités locales ou nationales sensibilisées par la qualité de l'environnement, ä interdire purement et simplement l'exploitation des procédés de polissage ä l'acide.
Par 1e document US-A-3624969, on connait aussi un appareil pour polir mécaniquement des surfaces courbes de lentilles toriques entrainées en rotation autour de leur axe, au moyen d'une meule entrainee en rotation autour d'un axe qui est éventuellement incline par rapport ä l'axe de rotation de la lentille. La meule porte un flanc garni d'un bandeau annulaire de matiere abrasive applique contre l'objet à polir. Elle est guidée de manière ä être appliquée le long d'une trajectoire courbe, contre l'objet ä polir.
On connait régalement, par le brevet belge NO 905. 292, un procédé pour polir et/ou adoucir une surface plane d'un objet en verre entraine en rotation autour d'un axe perpendiculaire à cette surface, à l'aide d'une couronne abrasive d'une meule rotative, en faisant tourner la couronne
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abrasive autour d'un axe décalé, par rapport ä son axe géométrique, d'une distance inférieure au rayon de la couronne, l'axe de rotation de la couronne étant parallele ä son axe géométrique et à l'axe de rotation de la surface précitée.
Ce procédé permet d'effectuer le meulage, le polissage et l'adoucissage d'une surface plane en evitant toute strie. Toutefois, il ne parvient pas ä donner la finition voulue et en particulier ä restaurer le lustre et la brillance ä la surface traitée, qui conserve un aspect mat.
On a découvert ä present qu'il est possible de procurer par polissage mécanique, à une surface meulee, ä nouveau sa brillance, en utilisant une machine connue semblable ä celle décrite dans le brevet belge NO 905. 292, par une ou plusieurs étapes suppldmentaires ne nécessitant aucun frais supplémentaire d'equipement.
L'invention concerne un procédé pour polir mécaniquement une surface d'objet fait d'une matière minérale, en particulier du verre, entraîné en rotation autour d'un axe perpendiculaire à ladite surface, avec une meule entraînée en rotation autour d'un axe qui est incliné par rapport ä l'axe de rotation de la surface ä polir. Le procédé est essentiellement caracterise en ce que la meule comprenant un corps de meule rotatif pourvu d'une courbe de meulage annulaire qui possède 1a forme d'une bague circulaire, balaie ladite surface.
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Suivant une particularité du procede selon l'invention, on met la surface plane rotative en contact avec le flanc tronconique du corps de la meule, pourvu d'une bague. circulaire de couche de meulage et on provoque la translation de la meule par rapport ä la surface rotative ä polir selon un mouvement de va-et-vient transversalement par rapport ä la direction tangentiellement de meulage de la meule.
Dans un mode particulier de mise en oeuvre du procédé suivant l'invention, ou place la surface courbe rotative en contact avec un flanc torique tronque du corps de la meule, pourvue d'une bague circulaire de couche de meulage et on balance la meule par rapport ä la surface rotative ä polir autour d'un point fixe qui devient le centre de ladite surface courbe.
On veille alors ä ce que le flanc tronconique ou torique tronqué du corps de la meule est équipé d'une bande disposée excentriquement par rapport ä l'axe de rotation de la meule.
Dans ce procédé, on applique la surface rotative sur ladite meule sous une pression d'application appropriée et constante pour la duree du polissage, de façon ä appuyer ladite meule contre la surface ä polir, le long d'une ligne de contact, qui correspond en forme à la surface à polir.
La pression d'application, de preference constante pendant toute la durée du degrossissage,
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du lissage et du finissage, est donnée par une pression pneumatique appliquee sur un moteur hydraulique ou électrique sur lequel la meule tronconique ou torique tronquée est montée.
Elle est donnée, pendant la durée du degrossissage, du lissage et du finissage par l'élasticité de la meule elle-meme, le mouvement relatif de ladite meule par rapport ä ladite surface étant imposé au cours du procédé total.
Dans ce but, on équipe le flanc de la meule tronconique ou torique tronquée d'une bande réalisée en un agent abrasif qui est porté par un support d'une matiere élastique compressible, de façon que le contact entre ladite meule et ladite surface soit légèrement etendu jusqu'ä une faible surface de contact se situant dans le proche environnement de la ligne de contact théorique.
Suivant une autre particularité du procédé selon l'invention, chaque meule est montée de façon inclinée par rapport ä l'axe de rotation de l'objet ä polir, selon un angle qui est egal ä 40.
Chaque meule est alors montée selon une inclinaison par rapport à l'axe de rotation de
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l'objet ä polir, sous un angle qui est égal ä l'angle d'inclinaison moyen du flanc de la meule tronconique ou ä l'angle d'inclinaison moyen du flanc de la meule torique tronquée.
La surface de contact restreint de la meule avec un flanc tronconique ou torique tronque
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permet, au cours du polissage, un chauffage fortement localisé qui entraine une microfusion ä la surface de la matière ä polir.
On amplifie la microfusion en enlevant l'objet à polir micromötriquement de la meule afin de faciliter le polissage et le lustrage.
On équipe la meule de contre-poids, de façon ä empecher les vibrations dans la bande abrasive.
Un avantage appreciable du procédé de polissage mécanique selon l'invention reside dans la possibilité d'automatiser et de combiner le dégrossissage, la taille et le polissage d'une surface en matériau minéral, soit en utilisant diverses machines avec des organes de transfert d'une machine où les stations de meulage sont disposées de façon ä recevoir successivement l'objet ä traiter. De cette façon, les objets peuvent etre charges en continu, ce qui permet à toutes les machines dans le premier cas et ä toutes les stations dans le second cas, de travailler en continu.
11 en résulte que le temps total n'excede pas le temps de transfert (temps mort) plus le temps de travail le plus long.
Ces operations peuvent évidemment etre robotisées.
Le but final est de permettre d'acceder au poli parfait (optique) par un procadä complètement
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automatique, rendant possible la production de surfaces de verre ou de cristal qui étaient seulement accessibles par des procédés manuels et empiriques.
C'est ce que tous les verriers et crista1liers"recherchent aujourd'hui : restaurer la splendeur passée du cristal de façon economique et contrölee pour pouvoir éliminer au maximum les procédés existant actuellement et principalement les procédés de polissage a l'acide.
L'invention concerne également une machine pour polir mécaniquement la surface plane grossière ou rugueuse d'un objet avec au moins une meule, par le procédé décrit plus haut, la machine comprenant une tête de fixation pour serrer et centrer l'objet, un moyen pour placer la tete de fixation et l'objet en rotation, un moyen pour conduire la tete de fixation et l'objet en direction de la meule entraînée en rotation, de façon ä l'appliquer sur cette dernière, sous pression pneumatique appropriée et constante au cours de toute la durée du polissage.
Cette machine est caractérisée en ce que la meule présente un flanc tronconique ou torique tronqué, equipe d'une bande réalisée en un agent abrasif, ladite bande pouvant tourner autour d'un axe qui est incliné par rapport ä l'axe de rotation de la surface a polir, de façon ä appliquer ladite meule le long d'une generatrice de contact contre la surface ä polir sous la pression mentionee ci-dessus.
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Dans une forme de réalisation particulière de la machine, la meule est montée sur un chariot de broche de meulage qui realise un mouvement de va-etvient de façon ä permettre ä la meule de balayer la surface ä polir.
L'invention concerne enfin une meule destinée Åa la machine suivant l'invention, meule caractérisée en ce que la bande est portee par un support realise en un agent élastique compressible.
La bande est montée de façon décalée sur la meule tronconique ou torique tronquée.
Elle peut aussi être réalisée en un agent abrasif ou une matière élastique, plus typiquement du feutre ou du polyurethane ou toute autre matière possédant de propriétés similaires, éventuellement chargée de grains microcalibres d'un agent abrasif que l'on pulverise la-dessus pour le finissage de ladite surface.
D'autres particularités et details du procédé et de la machine suivant l'invention apparaitront au cours de la description suivante dans laquelle il est fait référence aux dessins schématiques ciannexés.
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Dans ces dessins : - la figure 1 est une vue schematigue en élévation laterale illustrant le procédé pour polir ou adoucir une surface d'un objet en verre à l'aide d'une meule tronconique ; - la figure 2 est une vue en plan d'une meule tronconique portant un bandeau annulaire diamanté excentre ; - la figure 3 est une vue en elevation montrant une meule ä flanc tronconique portant un bandeau diamanté annulaire dont l'axe de rotation est éloigné par rapport ä son centre, cette figure montrant également un moteur ä arbre flottant sur lequel est calée la meule ; - la figure 4 est une vue semblable ä celle de la figure 1 illustrant le procédé suivant la presente invention pour adoucir une surface courbe en verre ä l'aide d'une meule torique ;
et - la figure 5 est une vue en plan montrant une aire de contact entre la meule et la surface ä traiter.
Dans ces differentes figures, les mêmes signes de référence désignent des elements identiques ou analogues.
Comme illustré la figure 1, une surface plane 1 ä traiter, de forme circulaire ou d'une autre forme, par exemple polygonale, est animee d'un mouvement de rotation, par exemple dans le sens de la flèche X autour d'un axe de rotation 2 qui y est perpendiculaire.
Cette surface 1 est également maintenue en contact
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avec un bandeau diamante annulaire 3 d'une meule rotative 4 de forme tronconique ou torique, la meule 4 tournant autour de son axe de rotation 5 incliné d'un anglet par rapport à l'axe 2. Le bandeau 3 est animé d'un mouvement de rotation dans le sens de la floche Y autour de son axe géométrique 6 incline ä son tour d'un angle / par rapport ä l'axe de rotation 5 de la meule 4.
Les vitesses et les sens de rotation de la surface 1 et du bandeau diamant6 3 peuvent être identiques ou différents.
Comme le montre la figure l, la surface 1 est constamment en contact avec le bandeau diamanté 3 par une génératrice de contact 7 qui coupe l'axe de rotation 2 de la surface 1. La surface 1 peut etre celle d'un objet ä polir 19 fixe ä une tête de préhension 18, cette tete etant mise en rotation autour d'un arbre 20. La tete de prehension 18 peut etre déplacée par un moyen
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d'amenee 21 de maniere à appliquer la surface A traiter 1 contre le bandeau 3.
Pendant les mouvements de rotation de la surface 1 et de la couronne diamantée 3 en contact avec cette surface, celle-ci est balayée entièrement par le bandeau diamant 3.
En raison de la position excentree du bandeau diamante 3, ce dernier est en contact, au cours de sa rotation, avec. des aires successives de la surface en verre 1. A la figure 5, l'aire hachurée 8 représente une aire de contact de la couronne diamantée 3. avec la surface l. Comme le révèle la figure l, l'aire de contact entre le bandeau 3 et la surface ä traiter 1 est déplacée par translation d'un chariot 17 dans le sens des flaches Z.
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La figure 3 montre une meule tronconique ou torique 4 portant le bandeau diamanté 3 excentre. Cette meule 4 est calée sur un arbre flottant 13 d'un moteur 14. L'axe 5 de l'arbre 13 est incline d'un angle α par rapport ä l'axe géométrique 2 de la surface ä traiter 1 (voir figure 4).
Une pression sensiblement constante est applique par la couronne diamantee 3 sur la surface 1 au cours du traitement de celle-ci. Cette pression constante est assurée par l'arbre flottant 13 qui est
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soumis lui-meme a une poussee exercee par un fluide comme decrit dans le brevet belge No. 905. 292. En raison de la presence d'un support en materiau élastique. cette pression assure ä la meule une surface restreinte de contact 8 généralement elliptique permettant pendant le polissage un échauffement tres localisé qui amène 1a microfusion ä la surface 1 du matériau ä polir.
Le meulage et le polissage du verre jusqu'a la finition mecanique classique comporte auatre etapes de travail : - le degrossissage ou l'ebauche avec un abrasif, généralement libre de carbure de silicium ou fixe tel que le diamant ; - la taille avec un abrasif plus dur tel que le corindon ou le diamant ; - le polissage avec un abrasif tel que la pierre ponce sur un support de liege, et - le lustrage avec un abrasif tel. que l'oxyde de cérium sur support ä base de tissus.
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La première étape correspond ä un travail d'abrasion pour definir la geometrie désirée ou l'embauche de forme. Elle donne une surface rugueuse.
La taille donne ensuite une surface mate, le
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polissage ramene un certain eclat et le lustrage rend le brillant originel de la piece soufflée ou pressée.
Le polissage et le lustrage correspondent ä un travail de microfusion. Selon les abrasifs et les methodes de travail utilisés, les etapes intermédiaires combinent dans des proportions variables l'effet d'abrasion et l'effet de microfusion.
La microfusion est une Operation qui se
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produit par echauffement entre le verre et la roue de polissage. 11 en résulte un fluage de la surface en verre et une restauration de la brillance. Les defauts d'abrasion anterieurs dus au dégrossissage et ä la taille apparaissent si les couches sous-jacentes destabilisees a chaque étape de meulage n'ont pas été enlevees par chaque meule qui suit l'etape antérieure.
Si les étapes de meulage preparatoires ont été correctement faites, la qualité du poli restaure la brillance complete du verre. 11 est donc primordial de garder la maltrise des étapes successives du meulage afin que chaque étape en aval d'une autre en enlève non seulement le "métier" c'est-à-dire les traces visibles d'usinage mais enleve egalement suffisamment de matière pour dégager entièrement la couche déstabilisée sous-jacente.
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Les inconvénients du Systeme classique sont, en raison de l'utilisation de divers abrasifs et de la
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présentation de ceux-ci, c'est-à-dire libres pour les operations d'ebauche ä l'aide de grains ou agglomérés et libres pour les operations de finition chaque opération doit être realisée"en separe". Le temps total du procédé est donc la somme des temps séparés. De plus il est necessaire de prevoir des nettoyages intermédiaires sous peine de véhiculer des grains d'un abrasif de dégrossissage tel que le carbure de silicium ou diamant vers un poste de finition. Le procédé qui dans les phases de finition est essentiellement manuel, ne permet pas le contröle de la profondeur des passes successives.
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11 est lent et couteux.
La meule tronconique ou torique peut avoir un diamètre interieur d'environ 75mm à 150mm, de préférence 90mm et un diamatre exterieur de 100mm à 200mm, de preference 150mm.
Le bandeau diamante 3 peut avoir une largeur de 10mm ä 30mm, de preference 15mm et un diamètre exterieur de 135 mm et un diamètre intérieur de 105 mm environ.
L'anglet de l'axe de rotation 5 de la meule avec l'axe de rotation de la surface 1 peut etre d'environ 2 ä 45 degres, de preference 4 degres. L'inclinaison de l'axe geometrique 6 du bandeau 3 depend de la position excentrée du bandeau 3 sur le flanc tronconique ou torique de la meule 12.
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A la figure 3, on a schématisé en 15 des balourds montes sur la meule 4 portant la couronne diamantee 3, ces balourds 15 étant destines ä équilibrer la meule 4 et la couronne 3, de façon à empêcher qu'elles subissent des vibrations au cours de leurs mouvements de rotation.
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Les moyens utilises dans le procédé decrit cidessus sont : J) Un choix judicieux d'outils à concretion diamantée ä liant métallique ou resinolde tels que décrits dans la demande de brevet européen n 793027921 publiée sous le n* 13486 au nom de INTERFACE
DEVELOPMENTS LIMITED ; 2) les outils peuvent etre lubrifiés uniquement ä l'eau perdue, chargée d'additifs tels que tensio- actifs ou autres (bio-dégradables), ce qui permet de grouper les stations de degrossissage. de taille et de polissage, à la limite dans une meme machine transfert sans danger de perturber les operations d'aval par rapport aux opérations d'amont : 3) la haute precision de positionnement relatif du verre par rapport ä chaque meule ;
4) la haute precision dans la géométrie des outils (faux-rond, rigidité des broches porte-meules et portc-pieces, absence de vibrations) : 5) le montage des outils sur des broches ä déplacement flottant sur leur axe de revolution, permettant un contrôle de la pression sur le verre et, si necessaire, une programmation de la pression pendant 10 eycle de travail ; 6) le contrôle rigoureux de la profondeur de passe de chaque station de travail ; 7) Lors du dégrossissage et de la taille les outils sont disposes de façon sécante par rapport au verre en rotation ;
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lors du polissage, les outils abrasifs (diamantes ou autres) sont réalisés conformément au brevet belge No. 905. 292. De plus, ils ont une génératrice de contact, l'outil étant toujours ä arbre flottant, dont l'axe de revolution est oblique par rapport à l'axe de revolution du verre (voir la figure 1). L'outil est donc du type "conique" dans le cas du polissage d'une surface plane et du type"torique"dans le cas du polissage d'une surface sphérique. Dans le cas du polissage d'une surface plane, la conicité des outils de polissage depend de la souplesse de l'outil.
Dans le cas du
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polissage d'une surface spherique, la generatrice de l'outil torique est une circonférence de même rayon que celui de la surface ä polir et le rayon de la directrice du tore depend de la souplesse de l'outil. Cette disposition provoque un mouvement orbital composé avec la rotation du verre.
De plus. la disposition ainsi decrite permet d'augmenter la pression specifique. Cette façon de faire provoque un echauffement tres localisé qui amene la microfusion dans les phases finales du polissage ; 9) un eloignement micrometrique du verre par rapport ä la meule et/ou une reduction progressive de la pression de contact permettra le rodage final et amplifiera la phase de microfusion : 10) un mouvement de va-et-vient, programmé en fonction de la surface ä polir, ainsi qu'une vitesse adequate d'entraînement de l'objet a polir, permettent d'obtenir des surfaces géométriquement "parfaites".
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Les résultats obtenus sur des surfaces en verre ou en cristal, brutes ä tailler en surface plane (ou sphérique concave) sont, sur un diamètre de 90mm : - rugosité Ra (CLA) = 2 micro-inches, alors que le poli optique est de 1 micro-inch ; - planéité de la surface de l'ordre de 0, 01mm.
Le lustrage ä l'oxyde de cerium peut être applique directement et en un temps minimum. Manuellement, l'opérateur effectue le travail en temps masque car les operations antérieures sont automatiques. Le lustrage peut aussi etre effectue automatiquement sur une machine
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tres simple.
11 est evident que l'invention n'est pas limitee aux details decrits ci-dessus et que ces details pourront etre modifies sans sortir du cadre de cette invention.