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Tête pour tarière mécanique.
La présente invention concerne une tête pour une tarière mécanique conformément au préambule de la revendication 1.
Les tarières mécaniques équipées d'une tête de ce genre servent à réaliser un trou dans un sous-sol relativement tendre en repoussant simplement la terre dans le sens latéral jusqu'à une couche de sous-sol capable de supporter une charge, du béton étant ensuite coulé dans le trou de manière à y réaliser un pieu.
Jusqu'au moment du coulage du béton, le tube de forage introduit dans le trou sert non seulement à actionner la tête de tarière mais également à soutenir la terre. Ce n'est qu'après remplissage du trou avec du béton que la tarière en est retirée, la tête de tarière demeurant dans le trou de forage en tant que pièce perdue.
Il est un fait que les têtes de tarières de structure jusqu'à présent connue, comme celles décrites dans DE-PS 29 36 060 par exemple, opèrent de manière satisfaisante en ce qui concerne le refoulement de la terre, mais leur prix est cependant relativement élevé étant donné qu'il s'agit de pièces de fonte creuses sans symétrie de rotation.
Pour de nombreuses applications, il serait souhaitable de disposer de têtes pour tarières mécaniques d'un prix avantageux.
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L'objet de la présente invention est dès lors de perfectionner une tête pour une tarière mécanique conformément au préambule de la revendication 1, de telle sorte que les coûts de fabrication se trouvent réduits, en particulier également lors d'une fabrication en petite série, tout en maintenant de bonnes caractéristiques de refoulement de la terre.
L'invention prévoit à cet effet une tête pour tarière mécanique suivant la revendication 1.
Une tête pour tarière mécanique suivant l'invention peut être fabriquée de manière aisée à partir de pièces en acier standard, en particulier des tôles épaisses, lesquelles doivent uniquement être coupées, courbées et soudées, ou en tant que pièce coulée en béton présentant une géométrie simple.
Des perfectionnements avantageux de l'invention sont précisés dans les sous-revendications.
Le perfectionnement de l'invention suivant la revendication 2 permet d'obtenir la formation d'un cône de terre comprimée à la pointe de la tête de tarière en cours d'utilisation de celle-ci, dont l'angle d'ouverture correspond substantiellement à l'angle d'attaque des bords libres des ailettes de refoulement. Le refoulement de la terre radialement vers l'extérieur est renforcé malgré cela par les ailettes de refoulement prévues de manière rigide sur la pièce terminale, lesquelles dépassent axialement d'un cône de terre substantiellement stationnaire.
Le perfectionnement de l'invention suivant la revendication 3 permet d'obtenir l'application directe d'une force radiale sur la terre en cours de rotation de la tête de tarière.
Cet effet peut être obtenu suivant la revendication 4 avec une structure mécanique particulièrement simple de la tête de tarière,
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des bandes de plaques de métal planes pouvant être employées pour les ailettes de refoulement.
Dans le cas d'une tête de tarière suivant la revendication 5, il est en réalité nécessaire de courber les ailettes de refoulement à partir de plaques de métal, mais en revanche l'application d'une force radiale particulièrement efficace est obtenue vis-à-vis de la terre.
Le perfectionnement de l'invention suivant la revendication 6 est avantageux du point de vue d'une fabrication de têtes de tarières à un coût particulièrement intéressant. Des têtes de tarières fabriquées à partir de tôles embouties conviennent particulièrement bien pour une utilisation dans des sous-sols pas trop compacts et dans le cas de tarières de petits et moyens diamètres.
Le perfectionnement de l'invention suivant la revendication 7 permet la fabrication de têtes de tarières même en très petites séries, une matière particulièrement résistante à l'usure pouvant être choisie pour les lames, sans entraîner pour autant une dépense importante au niveau des autres parties de la tête de tarière.
Le perfectionnement de l'invention suivant la revendication 8 permet de réaliser une tête de tarière à partir de pièces constitutives présentant de faibles dimensions. Celles-ci sont par conséquent plus aisées à fabriquer et à manier.
Le perfectionnement de l'invention suivant la revendication 9 est avantageux du point de vue d'une augmentation de l'effet de grattage ou de raclage des ailettes de refoulement. Une tête de tarière de ce genre peut pénétrer plus aisément dans des couches de faible épaisseur, lesquelles sont dures mais ne présentent pas encore la résistance suffisante pour supporter la charge du pieu.
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Une tête de tarière présentant la structure énoncée à la revendication 10 est particulièrement aisée à fabriquer, par exemple en superposant des disques de béton et en les reliant de manière rigide ou en coulant directement une forme analogue en béton.
Dans le cas d'une tête de tarière de ce genre, une force radiale progressive est également exercée sur la terre en cours de rotation de la tête de tarière, en raison de l'excentricité de ses contours, de sorte que la terre se trouve repoussée radialement vers l'extérieur.
Grâce au perfectionnement de l'invention suivant la revendication 11, les différents tronçons de la tête de tarière disposés axialement les uns derrière les autres sont sollicités de manière substantiellement égale. Les tronçons de surfaces extérieures situés axialement à l'arrière de la tête de tarière doivent en réalité agir sur de la terre déjà compactée plus fortement. Une trajectoire de travail plus importante y est dès lors prévue dans le sens périphérique de la tête de tarière.
Grâce au perfectionnement de l'invention suivant la revendication 12, au sein d'un étage précis de la tête de tarière ou entre deux étages contigus de la tête de tarière, les forces dirigées radialement vers l'extérieur apparaissent toujours de manière substantiellement symétrique, de sorte qu'aucun moment de basculement ne peut se produire au niveau de la tarière dans un sens perpendiculaire à son axe.
Dans le cas d'une tête de tarière suivant la revendication 13, il est possible de provoquer la fragmentation de la tête en forme de coin de manière à favoriser la pénétration dans la terre, lorsque celle-ci a atteint le fond du trou de forage. Les gros morceaux de béton subsistant après l'explosion des capsules détonantes s'accrochent particulièrement bien dans la terre d'une part et d'autre part avec le béton coulé par la suite dans le trou.
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Une tête de tarière suivant la revendication 14 est réutilisable. Lors du retrait de la tête de tarière, les segments de la pièce terminale se rabattent vers le bas en raison du poids de la colonne de béton coulé sur place et sous l'effet des surfaces d'appui et se positionnent dans le prolongement du tube de forage. La tête de tarière peut ainsi être retirée conjointement avec le tube de forage sans augmentation particulière de la force nécessaire pour extraire la tarière.
Le perfectionnement de l'invention suivant la revendication 15 permet de maintenir fermement ensemble les segments de la pièce terminale et les ailettes de refoulement portées par ceux-ci à la manière d'un parapluie fermé substantiellement cunéiforme jusqu'à ce que la tête de tarière soit introduite dans la couche de terre supérieure. A partir de ce moment, les segments de la pièce terminale sont alors maintenus sûrement ensemble par la force d'avance axiale. L'élément de retenue des segments s'use lorsque la tête de tarière pénètre davantage dans le sol et n'empêche dès lors pas le rabattement ultérieur des segments lorsque la tarière doit être retirée du sol par la suite.
L'invention est exposée de manière plus détaillée par la suite au moyen d'exemples de réalisation, par référence au dessin. Il y est illustré : Figure 1 : une coupe axiale d'une tête pour une tarière mécanique et de l'extrémité contiguë d'un tube de forage portant ladite tête ; Figure 2 : une coupe similaire d'une variante de tête de tarière ;
Figure 3 : une vue de côté à découpage partiel d'une autre variante de tête de tarière ;
Figure 4 : une vue d'en haut de la surface frontale de la tête de
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tarière représentée à la figure 3 ; Figure 5 : une coupe axiale d'une autre variante de tête de tarière ; Figure 6 : une vue d'en haut de la surface frontale de la tête de tarière représentée à la figure 5 ; Figures 7 et 8 : des vues d'en haut des surfaces frontales d'autres variantes de têtes de tarières ;
Figure 9 : une vue de côté d'une autre variante de tête de tarière ; Figure 10 : une vue d'en haut de la tête de tarière représentée à la figure 9 ; Figure 11 : une vue de côté d'une autre variante de tête de tarière ; Figures 12 à 15 : des vues de côté de tronçons d'ailettes de refoulement pour une tête de tarière ; Figure 16 : une vue de côté d'une autre variante de tête de tarière ; Figure 17 : une vue de l'extrémité de la tête de tarière représentée à la figure 16 ; Figure 18 : une vue de côté, en coupe semi-axiale d'une autre variante de tête de tarière ;
Figure 19 : une vue d'en haut de la tête de tarière représentée à la figure 18 ;
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Figure 20 : une vue de côté d'une autre variante de tête de tarière ; et Figure 21 : une vue d'en haut similaire à celle de la figure 19 d'une autre variante de tête de tarière.
La figure 1 montre en 10 un tube de forage, lequel porte une tête de tarière désignée dans l'ensemble par la référence 12.
La tête de tarière 12 possède une bague d'adaptation 14, sur laquelle une pièce terminale 18 est soudée au moyen d'un cordon de soudure 16. Ladite pièce terminale 18 dépasse radialement de la bague d'adaptation 14 et une bague d'étanchéité 20 est disposée dans l'angle ainsi formé ; celle-ci vient s'engager dans une rainure 22 prévue le long du bord intérieur de l'extrémité libre du tube de forage 10. Le tube de forage 10 se trouve ainsi obturé de façon étanche à son extrémité supérieure par référence à la figure 1, laquelle est l'extrémité inférieure en situation d'utilisation dudit tube de forage 10.
Quatre ailettes de refoulement 24 en forme de lames réparties dans le sens périphérique sont soudées sur la surface libre de la pièce terminale 18. Les cordons de soudure correspondants portent la référence 26. D'autres cordons de soudure 28 relient les extrémités intérieures des ailettes de refoulement 24.
L'extrémité libre du tube de forage 10 présente encore quatre paires de doigts d'entraînement 30,32 dépassant axialement, lesquelles reçoivent chacune une des ailettes de refoulement 24 entre leurs doigts et servent à transmettre à la tête de tarière
12 le mouvement de rotation imprimé au tube de forage 10 depuis le plateau de forage. Cet accouplement par emboîtement transmettant le couple de rotation se laisse aisément libérer de la tête de tarière 12 en déplaçant axialement vers le bas le tube de forage
10.
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Dans les variantes de têtes de tarières décrites par la suite et représentées aux figures 2 à 20, les parties constitutives ayant chaque fois la même fonction portent les mêmes références et ne seront plus redécrites en détail.
La tête de tarière représentée à la figure 2 possède une pièce terminale 18 de forme conique au lieu d'une pièce terminale plane 18, laquelle peut être fabriquée en courbant et en joignant par soudage un secteur de cercle correspondant d'une matière de départ en forme de plaque circulaire. Il est ainsi obtenu une surface de glissement conique fournissant un effet de refoulement additionnel lors de l'avance axiale de la tête de tarière. Les ailettes de refoulement 24 possèdent à présent une hauteur moins importante et peuvent être fabriquées à partir d'une plaque de métal découpée en bandes.
Dans l'exemple de réalisation suivant les figures 3 et 4, il est prévu au-dessus de la pièce terminale 18 une plaque de refoulement 34 obtenue par emboutissage profond d'un morceau de tôle de forte épaisseur. Les ailettes de refoulement 24 sont formées par des ailes de la plaque de refoulement emboutie 34, lesquelles se situent dans des plans axiaux. Entre les ailettes de refoulement 24, la plaque de refoulement 34 présente des surfaces 36 s'élevant hélicoldalement, similaires à celles rencontrées à l'extrémité d'un foret hélicoïdal.
Une bague de raccordement 38 présentant une arête supérieure en dents de scie sert à relier la plaque de refoulement 34 à la pièce terminale 18. A cet effet, le bord inférieur intérieur de la bague de raccordement 38 est relié par un cordon de soudure 40 à la pièce terminale 18 et son bord supérieur extérieur est relié par un cordon de soudure 42 au bord extérieur de la plaque de refoulement 34.
Dans le cas de la tête de tarière représentée aux figures 5 et 6,
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des ailettes de refoulement 24 sont prévues sur la plaque de refoulement 34 dans la région de ses surfaces fortement inclinées, de telle sorte qu'elles dépassent axialement de la plaque de refoulement 34. Des cordons de soudure, comme celui représenté en 26, servent de nouveau à fixer les ailettes de refoulement 24 sur la plaque de refoulement 34.
Dans les exemples de réalisation décrits jusqu'à présent par référence aux figures 1 à 6, les ailettes de refoulement 24 sont orientées substantiellement dans le sens radial par rapport à l'axe de la tête de tarière.
La figure 7 montre une géométrie d'ailettes de refoulement 24 permettant d'obtenir un refoulement forcé de la terre radialement vers l'extérieur fourni par la rotation de la tarière, en raison du glissement de la terre le long des surfaces extérieures des ailettes disposées en biais. Les ailettes de refoulement 24 s'étendent dans ce cas le long de tronçons de segments de la pièce terminale circulaire 18 ou de la pièce terminale conique 18.
Afin de générer une force de refoulement dirigée radialement vers l'extérieur en cours de rotation de la tarière, il est également possible de prévoir les ailettes de refoulement 24 courbées de façon contraire au sens de rotation de la tête de tarière, comme illustré à la figure 8.
La tête de tarière représentée à la figure 8 comporte encore des ailettes de refoulement 24a additionnelles prévues uniquement dans la région périphérique de la tête de tarière.
Comme le montrent les figures 1 à 8, la tendance générale des têtes de tarières qui y sont représentées est de prévoir des ailettes de refoulement 24 se prolongeant dans le sens radial au delà de la plaque terminale 18, de préférence encore quelque peu au delà de la surface extérieure du tube de forage 10. La terre
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poussée radialement vers l'extérieur par les ailettes de refoulement 24 peut ainsi revenir élastiquement légèrement vers l'intérieur, sans que des forces de frottement élevées apparaissent entre la surface extérieure du tube de forage 10 et le sol.
Dans l'exemple de réalisation suivant les figures 9 et 10, il est prévu une seule ailette de refoulement 24 en forme de spirale, laquelle est fixée sur la pièce terminale plane 18 au moyen d'un cordon de soudure 26 situé principalement à l'extérieur de la spirale ; seul le tronçon terminal extérieur de l'ailette de refoulement 24 est fixé par un cordon de soudure 26 intérieur à la spirale. Du point de vue d'une fixation particulièrement aisée de l'ailette de refoulement 24, celle-ci ne s'étend que sur 360*. Une telle ailette de refoulement à pas simple est également particulièrement aisée à courber à partir d'une plaque de métal de forme trapézoïdale.
Afin d'éviter des moments de basculement dans une direction perpendiculaire à l'axe de la tête de tarière, il est possible de prévoir sur la pièce terminale 18 une autre ailette de refoulement en forme de spirale décalée de 180-. Celle ailette supplémentaire est représentée à l'aide d'un trait mixte aux figures 9 et 10..
Au centre de la tête de tarière, il est prévu une pointe de refoulement 44 de structure massive, laquelle joue en même temps le rôle d'une pointe de centrage.
En cours d'utilisation, l'espace situé du côté intérieur des ailettes de refoulement spiralées 24 se remplit de terre, tandis que les surfaces extérieures des ailettes de refoulement 24 poussent la terre continuellement vers l'extérieur sous l'effet de la rotation de la tête de tarière 12. Lorsque la vitesse d'avance axiale et la vitesse de rotation de la tête de tarière 12 sont coordonnées en fonction de la pente des bords libres des ailettes
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de refoulement spiralées 24, le travail de refoulement radial de la terre est alors essentiellement fourni par la rotation du tube de forage 10. Dans ce cas, des forces de poussée ou d'avance axiale relativement faibles suffisent largement.
La figure 11 montre une tête de tarière comportant deux ailettes de refoulement 24 décalées de 180-. Ces ailettes reposent par leurs bords inférieurs sur une pièce terminale 18 de forme conique, l'angle d'ouverture du cône étant choisi en fonction du pas souhaité des ailettes de refoulement 24. Les ailettes de refoulement hélicoïdales peuvent ainsi être fabriquées en courbant des bandes de plaques de métal.
Pour le travail de refoulement pur, des ailettes de refoulement présentant une arête libre lisse sont en principe suffisantes. En vue du forage de couches plus dures et de l'enlèvement de morceaux de roches dures, il peut toutefois être avantageux de donner une forme particulière aux arêtes libres des ailettes de refoulement 24, par exemple une forme en dents de scie (figure 12), une forme triangulaire (figure 13), une forme rectangulaire (figure 14) ou une forme ondulée (figure 15). Les différentes arêtes profilées des ailettes de refoulement sont chaque fois désignées par la référence 46 au dessin.
Les têtes de tarières comportant des ailettes de refoulement hélicoïdales 24, telles qu'elles sont représentées aux figures 9 à
11, conviennent particulièrement bien pour des terrains pas trop compacts. En présence de sols très durs et difficilement compactables, les ailettes hélicoïdales fabriquées éventuellement en courbant des plaques de métal et les cordons de soudure 26 servant à les fixer sur la pièce terminale 18, se trouvent cependant trop fortement sollicités. Dans de telles conditions d'utilisation, un soutien radial absolument rigide des surfaces de refoulement est souhaitable.
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Une tête de tarière appropriée à de telles conditions sévères d'utilisation est représenté schématiquement aux figures 16 et 17. La tête de tarière comporte une pluralité de disques de refoulement 24-1 à 24-4, dont le centre E se trouve décalé de l'axe M de la tête de tarière. Les trajectoires parcourues par les points les plus éloignés de l'axe M des disques de refoulement excentriques sont représentées en traits interrompus à la figure 17 et portent les références 48-1 à 48-3, tandis que la trajectoire du point le plus éloigné de l'axe M du disque de refoulement 24-4 correspond au bord de la pièce terminale circulaire 18.
La figure 17 montre clairement que l'étagement des disques de refoulement excentriques 24-i et la distance entre les points M et E sont coordonnés entre eux de telle sorte que la trajectoire du point le plus extérieur d'un disque de refoulement corresponde à la trajectoire du point le plus intérieur du disque de refoulement suivant situé en-dessous. Il est assuré ainsi un enchaînement continu du travail de refoulement entre les différents disques de refoulement. Une pointe de refoulement 44 dépassant du premier disque de refoulement 24-1 assure la pénétration dans et le premier refoulement de la terre.
Dans le cas de la tête de tarière représentée aux figures 16 et 17, il est prévu une seule surface de refoulement excentrique pour chacun des disques de refoulement 24-i. Dans l'exemple de réalisation suivant les figures 18 et 19, lequel est de structure fondamentalement analogue, les différents disques de refoulement 24-i présentent chaque fois une forme symétrique par rapport au plan médian de la tête de tarière, mais sont cependant constitués chaque fois de deux demi-cercles excentriques 50,52, lesquels sont fermés par des segments de droite 54 de manière à former un
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ovale. Les deux centres des demi-cercles 50, 52 sont désignés par E1 et E2 et l'axe de la tête de tarière de nouveau par M.
Une tête de tarière 12 suivant les figures 18 et 19 fournit dès lors le
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même travail de refoulement de chaque côté de son plan médian (dans le cas d'un sol substantiellement homogène dans le sens périphérique de la tête de tarière), de sorte qu'aucun moment de basculement ne peut se produire au niveau de la tarière dans un sens perpendiculaire à son axe.
Comme le montre la figure 18, des billes de mousse 56 dans lesquelles sont noyées des capsules détonantes 58 radio- amorçables, sont coulées dans la tête de tarière 12, elle-même coulée en béton. Lorsque la tête de tarière 12 a atteint la profondeur de forage souhaitée, il est ainsi possible de commander par radio l'explosion des capsules détonantes 58 et de provoquer le fractionnement de la tête de tarière 12 en un nombre de gros fragments, lesquels ne présentent alors plus une géométrie favorisant une pénétration davantage dans le sol. Ces fragments se lient au béton coulé sur place de manière à former un pied de pieu crénelé.
Comme variante aux exemples de réalisation suivant les figures 16 à 19, il est également possible d'opter pour une géométrie conique, comme représenté au moyen d'un trait interrompu à la partie gauche de la figure 18, au lieu d'une structure comportant des disques séparés. Il est obtenu dans ce cas une surface extérieure lisse, les contours du cône présentant cependant toujours la même allure que celle des figures 17 et 19.
Une telle variante de tête de tarière est avantageuse du point de vue d'une avance rapide par poussée axiale de la tarière dans un sous-sol tendre, une part croissante du travail de refoulement pouvant être fournie par le mouvement de rotation en réduisant l'avance axiale, en présence d'une couche de sous-sol plus difficile à refouler.
Dans l'exemple de réalisation représenté à la figure 20, la pièce terminale 18 est constituée d'une pluralité de segments 60
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répartis dans le sens périphérique, lesquels sont chacun montés de manière articulée sur la bague d'adaptation 14 au moyen d'une charnière 62 comportant un axe tangentiel. Dans l'exemple de réalisation illustré, quatre segments 60 de 90. sont seulement représentés pour plus de clarté du dessin. Dans la pratique, le nombre de segments peut être plus important, par exemple 6,8 ou 12.
Il est veillé ainsi à ce que les segments 60, lorsqu'ils sont en position rabattue, libèrent presque complètement le volume intérieur du tube de forage 10, de sorte que la tête de tarière 12 fixée de manière récupérable au tube de forage 10 peut également être retirée d'une cage d'armature de grand diamètre.
Chacun des segments 60 de la pièce terminale 18 est pourvu d'une ailette de refoulement 24, dont l'extrémité sert en même temps de charnière. Dans le cas d'un nombre très important de segments 60, certaines des ailettes de refoulement supportées par les segments 60 ne s'étendent alors que sur une partie des segments correspondants.
A l'extrémité supérieure de chacune des ailettes de refoulement 24, il est prévu un évidement 64 destiné à recevoir une bague de retenue 66. Les segments 60 de la pièce terminale 18 se trouvent ainsi maintenus ensemble jusqu'à ce que cette fonction soit prise en charge par la pression de réaction du terrain dans lequel la tête de tarière est introduite. La bague de retenue 66 est prévue dans une matière s'usant rapidement en contact avec le sol.
L'exemple de réalisation représenté à la figure 21 est très similaire à celui de la figure 19, à part que les disques de refoulement 24-i possèdent à présent un triple axe de symétrie.
Les centres des parois périphériques en arc de cercle sont désignés par E.., E, et E3 pour le disque de refoulement 24-2. Les disques de refoulement successifs sont chaque fois décalés les uns par rapport aux autres d'un demi pas angulaire, de 60-dans le cas présent, de sorte qu'un équilibre des moments est de nouveau
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obtenu au centre de la tête de tarière. De plus, les tronçons situés radialement vers l'intérieur d'un disque de refoulement sont ainsi contigus aux tronçons situés radialement vers l'extérieur du disque de refoulement qui précède. Le bord du plus grand disque de refoulement 24-3 se trouve relié au bord de la tête de tarière 12 par des tronçons de paroi 68 de forme conique.
La pointe de refoulement 44 est également formée de manière similaire, par juxtaposition de sections coniques présentant des bases adaptées.
Comme autre variante, il est également possible d'employer des disques de refoulement présentant une géométrie quadratique, pentagonale, hexagonale, etc. Plus le nombre d'angles est élevé, plus le travail de refoulement fourni par la rotation de la tête de tarière diminue et plus le travail de refoulement effectué par son déplacement axial augmente. En présence d'un nombre d'angles donné, il est possible d'augmenter le travail de refoulement fourni par la rotation de la tête de tarière en réduisant le rayon de courbure des parois périphériques des disques ou de le réduire en augmentant le rayon de courbure.