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Joint métallique statique et procédé de fabrication.
Domaine de l'invention
La présente invention a pour objet un joint statique métallique formant un corps annulaire autour d'un axe ZZ'.
L'invention concerne plus particulièrement les joints destinés à assurer une étanchéité dans des conditions d'utilisation très difficiles. De tels joints peuvent supporter des températures très élevées ou très basses, des pressions de fluide extrêmes ainsi que des efforts mécaniques importants.
Art antérieur
Des joints statiques performants utilisés dans de tels environnements sont déjà connus, notamment dans les documents FR 2 726 879 et FR 2 757 923.
De tels types de joints reposent tous sur le même principe : la déformation d'un profil en forme de U.
La figure 5 montre un exemple de joint 40 en forme de U connu dans l'art antérieur. Le joint 40 comprend un corps annulaire 47 d'axe ZZ', prolongé latéralement par des lèvres 42,43 elles-mêmes associées à des parties terminales 44,45 définissant les surfaces de contact du joint 10.
L'étanchéité est réalisée par écrasement des parties terminales 44,45 entre deux brides (non représentées). Ces types de profil ont été développés afin de présenter une grande restitution utile (la restitution utile étant l'ouverture axisymétrique maximale des faces d'appui du logement de joint que le joint peut tolérer avant de ne plus être étanche) pour un faible encombrement de profil. Bien que ces joints présentent des caractéristiques satisfaisantes de performances et de durée de vie, ils restent cependant relativement difficiles à fabriquer en raison des problèmes d'usinage (tournage) rencontrés avec des profils de très petites dimensions.
Des tolérances de fabrication très restrictives, contribuent à rendre ces joints relativement coûteux.
Objet et description succincte de l'invention
L'invention vise à remédier aux inconvénients précités et à réaliser un joint qui présente des tolérances de fabrication moins restrictives que
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dans l'art antérieur pour permettre une fabrication de type"grande série" d'un tel joint.
L'invention vise à réaliser un joint statique qui présente une restitution utile équivalente ou supérieure à celle des joints statiques en forme de U pour un même encombrement de profil.
L'invention vise encore à réaliser un joint statique qui présente d'excellentes qualités de résistance mécanique, de compatibilité de matériau avec les fluides et les matériaux environnants et de tolérances aux conditions sévères d'utilisation telles que de vastes plages de températures et de pressions.
Ces buts sont atteints grâce à Joint statique métallique formant un corps annulaire autour d'un axe, le profil du joint en demi-coupe axiale présentant la forme d'un S allongé et comprenant une première partie latérale qui délimite la surface périphérique interne du joint, une deuxième partie latérale qui délimite la surface périphérique externe du joint, ces première et deuxième parties latérales étant décalées l'une par rapport à l'autre dans la direction de l'axe du joint, et des troisième et quatrième parties incurvées de forme ondulée, caractérisé en ce que la troisième partie incurvée de forme ondulée comporte à une de ses extrémités une première portion de contact sensiblement rectiligne qui s'étend perpendiculairement à l'axe du joint et qui est raccordée à une des extrémités de la deuxième partie latérale,
et en ce que la quatrième partie incurvée de forme ondulée comporte à une de ses extrémités une seconde portion de contact sensiblement rectiligne qui s'étend perpendiculairement à l'axe du joint et qui est raccordée à une des extrémités de la première partie latérale.
Ainsi l'invention propose un joint statique métallique dont la conception est plus simple que celle des joints développés dans l'art antérieur mais qui présente des performances d'étanchéité équivalentes ou supérieures à ces derniers. En particulier, la configuration de profil de joint selon l'invention présente des caractéristiques dimensionnelles adaptées aux logements actuels existants qui reçoivent des profils de joints plus encombrants. Pour un encombrement moindre, le joint selon l'invention présente une restitution utile équivalente aux joints ayant un profil en forme de U, pour un effort d'écrasement axial inférieur. Ceci améliore potentiellement le serrage des liaisons entre lesquelles le joint
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est disposé sans avoir besoin d'exercer un quelconque effort radial sur le joint.
La forme du profil du joint selon l'invention assure une pression et une largeur de contact sur pistes d'étanchéité très performantes et qui répondent aux exigences sévères requises pour des joints de très petites dimensions.
Selon un aspect de la présente invention, les premières et secondes parties latérales sont rectilignes et s'étendent parallèlement à l'axe du joint.
Selon un mode de réalisation, les troisième et quatrième parties de forme ondulée, sont ascendantes de la circonférence interne vers la circonférence externe du joint.
Selon un autre mode de réalisation, les troisième et quatrième parties de forme ondulée sont descendantes de la circonférence interne vers la circonférence externe du joint.
Plus particulièrement le joint selon l'invention peut être constitué d'un substrat métallique ayant une épaisseur comprise entre 1, 4 mm et 1,6 mm.
Selon un mode de réalisation particulier, le joint présente une hauteur sans revêtement comprise entre 2, 45 mm et 2,65 mm.
Avantageusement, le joint selon l'invention comprend une couche de revêtement d'argent ayant une épaisseur inférieure ou égale à 0,04 mm.
Le joint selon l'invention peut en particulier être réalisé dans des petites dimensions, par exemple avec un diamètre interne de l'ordre de 16,5 mm et un diamètre externe de l'ordre de 21 mm.
Selon une autre caractéristique particulière, le joint peut être constitué d'un substrat en Inconel.
L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un joint statique métallique, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de découpe d'un corps annulaire dans une feuille de métal ou d'alliage, de maintien dans une presse, constituée d'un poinçon, d'une matrice et d'un serre-flan, d'une partie périphérique externe du corps annulaire entre la matrice et le serre-flan dans un plan perpendiculaire à l'axe de l'anneau, et d'avance du poinçon sur une partie périphérique interne du corps
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annulaire de telle manière que ledit corps annulaire présente, ainsi déformé, la forme d'un S allongé en demi-coupe axiale.
L'invention propose donc un mode de fabrication du type "emboutissage peu sévère" qui simplifie considérablement la fabrication du joint tout en conservant au dit joint les performances requises. Le procédé de fabrication selon l'invention améliore ainsi considérablement la fiabilité des joints fabriqués selon ce procédé. Les opérations de tournage délicates sur des joints de très petites dimensions sont évitées ce qui limite les risques lors de la fabrication. Les angles de pliage réduits en raison d'un emboutissage faible permettent de conserver une tenue mécanique et une restitution utile performante du joint. Le procédé de fabrication selon l'invention permet également d'envisager un mode de fabrication de type"grande série".
Selon une caractéristique particulière, le procédé comprend en outre une étape consistant à recouvrir le corps annulaire d'un matériau de revêtement.
Avantageusement le matériau de revêtement peut être une couche d'argent ayant une épaisseur inférieure ou égale à 0,04 mm.
Selon une autre caractéristique particulière, la feuille de métal ou d'alliage est constituée d'Inconel ayant une épaisseur comprise entre 0,6 mm et 5 mm.
Le procédé de fabrication selon l'invention est compatible d'une manière générale avec tous les métaux et alliages dont l'allongement à la rupture du matériau est supérieur à 30%.
Brève description des dessins
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de modes particuliers de réalisation, en référence aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une vue de demi (coupée) en perspective d'un exemple de joint statique conforme à l'invention, - la figure 2 est une vue en demi-coupe axiale d'un exemple de joint statique conforme à l'invention, - la figure 3 est une vue en coupe axiale illustrant le procédé de formation d'un joint statique conforme à l'invention,
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- la figure 4 est une vue en demi-coupe axiale d'un exemple des différents états de compression/délestage d'un joint statique conforme à, l'invention,
et - la figure 5 est une vue de trois-quarts (coupée) en perspective d'un exemple de joint en U selon l'art antérieur.
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Description détaillée de modes particuliers de réalisation
Le joint décrit comme exemple de réalisation dans la présente description est de faibles dimensions. Toutefois, l'invention s'applique également à des joints de dimensions supérieures présentant des encombrements plus importants. Dans ce cas, les performances du joint sont supérieures à celles énoncées dans la présente description.
La figure 1 montre l'aspect général d'un joint 20 selon l'invention, qui comprend un corps annulaire 2 d'axe ZZ'qut présente une forme ondulée ascendante de la circonférence interne vers la circonférence externe du joint 20 définissant ainsi en demi-coupe axiale (figure 2) la forme d'un S allongé. Sur les dessins, on a représenté un joint 20 ayant une forme ondulée ascendante du centre vers la périphérie du joint. Toutefois, l'invention s'applique indifféremment à des modes de réalisation dans lesquels le corps annulaire présente une forme ondulée descendante de la circonférence interne vers la circonférence externe du joint.
Le joint 20 représenté sur la figure 1 est destiné à assurer une étanchéité interne et externe lorsqu'il est maintenu entre un plan 18 et un plan 19 représentés en figure 2. Lorsque le joint 20 est maintenu en écrasement entre le plan 18 et le plan 19, un espace 21 compris entre les plans 18 et 19 du côté de la périphérie interne du joint est hermétiquement isolé d'un espace 22 compris entre les plans 18 et 19 du côté de la périphérie externe du joint 20. Ainsi, un fluide sous pression circulant dans l'espace 21 ne peut pénétrer dans l'espace 22 et inversement.
Le joint 20 comprend une première partie latérale 12 parallèle à l'axe ZZ'du joint et qui délimite la surface périphérique interne du joint. Le joint comprend également une deuxième partie latérale 13 parallèle à l'axe ZZ'du joint et qui délimite la surface périphérique externe du joint. Ces première et deuxième parties latérales 12,13 sont décalées l'une par rapport à l'autre dans la direction de l'axe ZZ'. Une troisième partie incurvée 10 qui rejoint les extrémités supérieures des parties latérales 12,
13 présente une forme de S allongé avec une quatrième partie incurvée
11, sensiblement parallèle à la troisième partie incurvée 10, qui rejoint les extrémités inférieures des parties latérales 12,13.
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Les troisième et quatrième parties incurvées 10,11 comprennent respectivement à leurs extrémités des portions 14,15, et 16,17 sensiblement rectilignes. Les portions 14,15 et 16,17 s'étendent perpendiculairement à l'axe ZZ'du joint 20. Ces portions sensiblement rectilignes et notamment les portions 16 et 15 dans la configuration représentée en figure 2 qui sont en contact respectivement avec les plans 18 et 19 assurent la largeur de contact nécessaire entre le joint 20 et les plans 18,19 pour réaliser l'étanchéité. Par conséquent, le joint selon la présente invention assure une étanchéité entre les espaces 21 et 22 uniquement grâce à un écrasement axial selon l'axe ZZ'du joint. Ainsi, le joint selon l'invention présente l'avantage de ne pas développer d'efforts de contact radiaux entre le joint et son logement.
Dans ces conditions, il est donc toujours possible d'extraire facilement le joint après essais.
Le joint 20 comprend un diamètre interne D1 et un diamètre externe D2. La configuration du joint selon l'invention est particulièrement adaptée à la réalisation de joints de petites dimensions, pour lesquels les contraintes sont importantes, mais le joint peut aussi présenter des dimensions plus grandes. Les exemples de dimensions ci-après décrits concernent en effet des modes de réalisations de joints de très petite taille qui de fait représentent les performances d'étanchéité les plus difficiles à obtenir. Par conséquent, l'homme du métier pourra envisager sans difficulté ces mêmes réalisations à partir de dimensions plus grandes qui évidemment présenteront des performances accrues.
Le fait que le joint selon l'invention ne soit pas en appui radial lorsque les plans ou brides 18 et 19 sont resserrés implique, pour obtenir une réaction axiale compatible avec les performances d'étanchéité visées, d'avoir un profil de joint trapu.
En d'autres termes, le rapport H1/ (D2-D1) entre l'épaisseur du profil du joint H1 et largeur de profil du joint (D2-D1) doit être voisin de 0,5.
A titre d'exemple de petites dimensions, le joint peut présenter un diamètre moyen compris entre 15 et 25 mm, avec par exemple un diamètre interne D1 de l'ordre de 16,5 mm et un diamètre externe D2 de l'ordre de 21 mm. Le joint 20 peut être réalisé à partir d'un substrat de métal ou d'alliage ayant une épaisseur H2 sans revêtement comprise entre 1,4 mm et 1,6 mm pour ensuite, après formage, présenter une hauteur H1 comprise entre 2,45 mm et 2,65 mm. De façon préférentielle le rayon de courbure R1 du profil est d'au moins 0,5 mm. Les logements
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adaptés pour recevoir un tel joint sont définis par un domaine d'écrasement entre les plans 18,19 allant de 0,19 mm à 0,45 mm. Dans ce cas l'écrasement nominal du joint est de 0,35 mm.
Ces différents paramètres ont permis d'évaluer les performances d'étanchéité d'un joint 20 selon l'invention. Pour un écrasement nominal de 0,35 mm, le joint 20 selon l'invention présente une restitution utile de l'ordre de 0,066 mm et un effort d'écrasement d'environ 9,15 daN/mm circ. Le joint 20 objet de l'invention présente alors une restitution utile équivalente de celle obtenue avec un joint à profil en U mais avec un effort d'écrasement inférieur. Ceci autorise une plus grande tolérance du serrage du joint entre les plans 18, 19 d'écrasement.
La géométrie du profil en S allongé que présente le joint 20 en demi-coupe axiale comme représenté sur la figure 2 est particulièrement adaptée à des pressions de fluide relativement fortes dans les espaces 21 et/ou 22. En effet, pour des pressions de fluide inférieures à 100 bar la restitution utile du joint est comprise entre 0,05 mm et 0,078 mm.
Un fluide sous pression qui circule dans l'espace 21 exerce une pression sur la première partie latérale 12 et sur la troisième partie incurvée 10. La portion 15 se trouve délestée en charge par rapport à la portion 16 qui elle est surchargée par la pression du fluide présent dans l'espace 21. La largeur de contact maximum peut être alors d'environ 0,07 mm en comparaison à une largeur de contact maximum de l'ordre de 0,1 mm lorsque le joint ne subit pas de pression de fluide.
La figure 3 illustre le procédé de fabrication du joint 20 selon l'invention. On découpe un corps annulaire 2 dans une feuille de métal ou d'alliage. Le corps annulaire 2 peut être réalisé par exemple en "Inconel 718". Le corps annulaire 2 est ensuite maintenu dans une presse constituée d'un poinçon 5 d'une matrice 3 et d'un serre-flan 4. Le corps annulaire 2 est alors maintenu par sa partie périphérique externe entre la matrice 3 en contact avec la partie transversale inférieure du corps annulaire 2 et le serre-flan 4 en contact avec la partie transversale supérieure du corps annulaire 2. L'étape suivante consiste à faire avancer le poinçon 5 sur une portion 14 à la périphérie interne du corps annulaire 2.
La profondeur de pénétration du poinçon 5 dans le corps annulaire 2 détermine le rayon de courbure R1 du profil du joint 20 obtenu et par conséquent définit la hauteur du joint après formage ou emboutissage
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léger. Le serre-flan 4 évite la formation de plis dus au déplacement radial du corps annulaire 2 lorsque le poinçon avance dans la matière du corps.
Ce procédé de fabrication de type emboutissage offre des tolérances relativement grandes vis-à-vis des matériaux utilisés. En effet, d'une manière générale, tous les métaux et alliages en feuille dont l'allongement à rupture est supérieur à 30% sont compatibles avec ce mode de fabrication.
Le procédé selon l'invention peut comprendre une étape supplémentaire consistant à recouvrir le corps annulaire 2 d'un matériau de revêtement qui peut être, par exemple, une couche d'argent d'épaisseur de l'ordre 0, 02 à 0,05 mm réalisée par dépôt électrolytique. Cette plage de valeur peut être naturellement modifiée pour des dimensions de joint plus grandes. Le corps annulaire peut être également recouvert avec un autre type de revêtement tel que par exemple du "Teflon", du nickel, de l'or ou un ensemble nickel et argent.
Le corps annulaire 2 peut être réalisé en Inconel 718. Dans ce cas l'épaisseur du corps annulaire 2 peut varier dans une plage allant de 0,6 mm à 5 mm. Pour la fabrication de joints dont l'épaisseur du corps annulaire est plus grande, d'autres matériaux moins coûteux tels que l'inox peuvent être utilisés pour réaliser le corps annulaire 2.
Le procédé selon l'invention correspond donc à un mode de fabrication du type"emboutissage peu sévère"qui simplifie considérablement une production en grande série d'un tel type de joint. En revanche, une réalisation du joint par tournage est également possible, comme pour les joints statiques de l'art antérieur. Dans le cas d'une fabrication par tournage, il faut s'attendre d'une part à un coût de fabrication plus élevé mais qui reste cependant inférieur à celui de la fabrication des joints actuels connus. D'autre part, pour un tel mode de fabrication, les performances du joint selon l'invention sont augmentées car la restitution utile du joint est affectée légèrement par le processus d'emboutissage.
Le joint 20 selon l'invention est propre à fonctionner dans des conditions d'utilisation sévères telles que celles rencontrées dans le domaine aérospatial. Les plages de températures auxquelles est soumis le joint peuvent s'étendre de 20K jusqu'à 930 K. Des fluides tels que par exemple LH2, LOx, LN2, GHe et des gaz de combustion (H2 + Os) sont
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compatibles avec les matériaux constitutifs du joint. Le joint 20 selon l'invention présente notamment, une compatibilité de matériaux avec les fluides utilisés identique à celle rencontrée pour les joints performants de l'art antérieur décrits dans les documents FR 2 726 879 et FR 2 757 923.
Pour des pressions de fluides allant jusqu'à 100 bar, le joint présente encore de très bonnes performances, en particulier en terme de restitution utile.
Pour des pressions supérieures, le joint peut encore être utilisé et, dans ce cas, il présente une plus faible restitution utile. Pour des utilisations à très hautes pressions, pour lesquelles de la restitution utile est encore demandée, le logement du joint peut être positionné pour que le joint vienne s'appuyer naturellement radiallement sur le logement sous l'effet de la pression. Dans ces conditions, il est possible de monter à de très hautes pressions en conservant de la performance.
La figure 4 représente les différentes géométries que peut prendre le joint au cours de sa fabrication et de son utilisation. Le cadre 34 représente le logement du joint lorsque celui-ci est écrasé nominalement.
Le profil 30 représente la forme du profil du joint en demi-coupe axiale lorsque l'effort de la presse est maximum. Le profil 31 montre la forme du joint après formage ou emboutissage. Le profil 32 représente l'écrasement nominal du joint et le profil 33 montre la forme du joint après délestage complet de celui-ci.