Procédé et appareil pour la fabrication continue d'une pièce tubulaire
La présente invention a pour objet un procédé et un appareil pour la fabrication continue d'une pièce tubulaire, telle qu'un tube, un tuyau, par exemple en matière plastique.
Le principal inconvénient des tubes ou tuyaux en matière plastique a été jusqu'à présent leur résistance insuffisante par comparaison avec celle des tubes et tuyaux en métal, et également la tendance d'un grand nombre de matières plastiques à se déformer ou à subir un fluage à froid sous l'action d'une charge, de sorte qu'il n'a pas été possible par exemple d'employer des tubes ou tuyaux en matière plastique pour acheminer des fluides sous des pressions élevées ou mme sous des pressions moyennes.
La présente invention vise la réalisation d'un procédé et d'un appareil permettant de renforcer des éléments de la matière par orientation, faisant usage des propriétés inhérentes de la matière, en particulier dans le cas de certaines matières plastiques, au lieu de laisser ces propriétés inutilisées comme cela est le cas avec des procédés et appareils classiques.
A cet effet, le procédé objet de la présente invention est caractérisé en ce qu'on introduit la matière destinée à former ladite pièce entre deux organes dont un organe externe qui entoure, au moins en partie, un organe interne, en ce qu'on anime un de ces organes d'une rotation continue, en ce qu'on différencie sous pression cette matière à l'aide d'éléments hélicoïdaux de cette matière, en ce qu'on intègre ces éléments en les combinant en orientation sensiblement hélicoïdale, ledit organe animé d'une rotation continue ayant une surface de travail formant, au moins partiellement, un filet héli cotidal, ledit autre organe, non rotatif, ayant une surface de travail sensiblement coaxiale à l'axe de rotation de l'organe animé d'une rotation,
la surface tangente aux sommets des méplats du filet de l'organe tournant formant sensiblement une surface de révolution autour dudit axe de rotation, ledit filet hélicoïdal ayant une profondeur zéro au moins dans une position axiale, de façon à laisser un espace radial au moins égal à l'épaisseur de la paroi de la pièce en travail, ce filet assurant une variation radiale, entre ladite surface tangente et la surface de travail de l'organe non rotatif, sur au moins une partie considérable de la longueur axiale dudit filet, des surfaces de coupe transversale des rainures de ce filet variant dans le sens opposé à la variation dudit espace radial.
Les éléments en question peuvent tre soumis à un étirage sous pression (le mot étirage étant pris ici dans son sens général) et, en combinant lesdits éléments travaillés, ces derniers peuvent tre réunis (si leur traitement séparé a impliqué leur séparation). Ce rapprochement et ce jonctionnement peuvent impliquer un soudage sous pression, un soudage par friction ou un processus analogue se produisant sous pression.
L'appareil objet de l'invention pour la mise en oeuvre du procédé qui vient d'tre indiqué est caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux organes, dont un est un organe extérieur entourant, au moins partiellement, l'autre organe constituant un organe intérieur, ces organes présentant des surfaces de travail se faisant face, des moyens pour animer d'une rotation l'un de ces organes, l'autre étant non rotatif et ayant sa surface de travail sensiblement coaxiale par rapport à l'axe de rotation dudit organe animé d'une rotation, ce dernier présentant, sur sa surface de travail, un filet hélicoïdal, la surface tangente aux sommets des méplats dudit filet formant sensiblement une surface de révolution autour dudit axe de rotation,
ledit filet ayant une profondeur égale à zéro en au moins une position axiale de façon à laisser un espace radial entre ladite surface tangente et la surface de travail de l'organe non rotatif, cet espace étant au moins égal à l'épaisseur de la paroi de la pièce en travail, ce filet assurant une variation graduelle dudit espace sur une part au moins considérable de la longueur axiale dudit filet, les sections transversales des rainures de ce filet variant dans le sens opposé aux variations dudit espace radial, de façon à obtenir une différentiation hélicoïdale en travaillant sous pression des éléments hélicoïdaux de la matière de la pièce et pour obtenir l'intégration hélicoïdale en combinant ces éléments en orientation sensiblement hélicoïdale.
Lesdits organes peuvent etre constitués respectivement par un mandrin et un manchon, l'un d'eux étant animé d'une rotation continue et présentant sur sa surface de travail une nervure ou un filet hélicoïdal, dont l'une au moins des caractéristiques (profondeur radiale, pas, diamètre de sa circonfé- rence primitive et forme du profil) varie sur une partie au moins de sa longueur.
Quelques formes d'exécution du procédé objet de l'invention vont tre décrites ci-après à l'aide du dessin annexé illustrant, à titre d'exemple, des formes d'exécution d'un appareil pour la mise en oeuvre de ce procédé.
La fig. 1 est une vue en coupe longitudinale de la moitié supérieure d'une première forme d'exécution, cet appareil étant étudié en vue de réaliser une action de différentiation sur la matière en vrac, un travail et une action d'intégration dans un seul et mme appareil.
La fig. 2 est une vue analogue à la fig. 1, montrant une variante du mandrin que comporte l'appareil.
La fig. 3 est une vue en coupe transversale fragmentaire par la ligne 3-3 en fig. 1.
La fig. 4 est une vue en coupe semblable à la fig. 1 montrant une variante du mandrin ayant un diamètre moyen sensiblement uniforme et utilisable dans la première forme d'exécution.
La fig. 5 est une vue en coupe longitudinale fragmentaire d'une deuxième forme d'exécution.
Les fig. 6 et 7 sont des vues en coupe d'une bande de matière préalablement conformée ayant une section droite différente de celle que montre la fig. 5.
Les fig. 8 et 9 sont respectivement une coupe axiale et une coupe suivant 9-9 de la fig. 8 d'une troisième forme d'exécution de l'appareil, ces vues montrant un dispositif servant à travailler, à préparer et à souder par friction une bande de matière préconformée, et à fabriquer un tube ou tuyau à l'aide de cette bande étirée et soumise à un soudage par friction.
Les fig. 10 et 1 1 sont respectivement une coupe axiale et une coupe suivant 11-11 de la fig. 10 d'une variante de ce troisième appareil, cette variante étant conçue en vue du soudage par friction de couches de bandes préconformées les unes audessus des autres.
La fig. 12 est une vue en coupe d'un autre dispositif servant à travailler et à étirer une couche de matière.
Les fig. 13 et 14 sont respectivement une coupe axiale et une coupe suivant 14-14 de la fig. 13 d'une autre variante de réalisation, la construction étant semblable en principe à la première, mais avec une modification permettant d'intégrer une armature de renforcement dans la matière constitutive du tube ou tuyau.
La fig. 15 est une vue en coupe longitudinale fragmentaire de la forme d'exécution que montre la fig. 5, mais conçue en vue de l'introduction d'une armature de renforcement, le tube ou tuyau étant établi en partant d'une bande de matière préconformée.
La fig. 16 est une vue en coupe d'une bande de matière préconformée, mais au sein de laquelle est noyée une armature de renforcement, cette bande de matière étant utilisable dans la version de l'appareil que montre la fig. 5.
Dans l'appareil représenté par les fig. 1 à 3, 10 désigne un mandrin qui est entraîné en rotation autour de son axe sous l'action d'un dispositif quelconque, dans un manchon d'enveloppement cylindrique fixe 11. Ce mandrin 10 a un diamètre moyen qui varie graduellement; son diamètre le plus petit se trouve à son extrémité d'entrée 14, c'est-à-dire à l'endroit où la matière plastique 12 est envoyée dans l'espace annulaire compris entre le mandrin 10 et le manchon 11. La matière plastique est entraînée et travaillée par une nervure ou un filet hélicoïdal 13 solidaire de la surface du mandrin 10.
Ce filet est un filet à quatre origines, ayant une profondeur radiale variable, un diamètre de cercle primitif variable, un pas variable et une forme de profil également variable; il s'amorce à une profondeur zéro à son extrémité d'entrée 14 à partir de la surface cylindrique de la première partie du mandrin 10, et va en augmentant de profondeur radiale ainsi que de diamètre moyen dans toute l'étendue de la section d'expansion 15, jusqu'à un maximum où la partie la plus profonde de ce filet 13 a un diamètre sensiblement égal au diamètre interne du manchon d'enveloppement 11.
La profondeur du filet 13 est ensuite réduite progressivement dans toute l'étendue de la section de réduction 16, le diamètre moyen demeurant sensiblement constant ou n'augmentant qu'à un taux plus faible que dans la section d'expansion, jusqu'à ce que la profondeur du filet arrive à zéro à l'extrémité de sortie 17 où le filet se raccorde insensiblement avec une partie cylindrique lisse du mandrin 10.
Des nervures longitudinales internes 18 de longueur axiale relativement faible sont prévues sur la face interne du manchon d'enveloppement 1 1 (comme représenté par les fig. 1 et 3), afin d'empcher la matière de tourner avec le mandrin 10 à l'extrémité de sortie 17.
Des canaux peuvent tre ménagés dans le manchon d'enveloppement 1 1 ou dans le mandrin 10, ou dans ces deux éléments à la fois, en vue d'assurer la circulation de vapeur ou d'un autre fluide chauffant. Le mandrin qui est représenté dans la fig. 2 est creux à l'endroit indiqué par 19 en vue de permettre la circulation d'un pareil fluide. A titre de variante, le manchon d'enveloppement 1 1 ou les deux peuvent tre chauffés électriquement.
Un système de ventilation permettant l'échappement de l'air ou des autres gaz qui se dégagent au cours du travail peut tre prévu en un ou plusieurs endroits convenables du manchon d'enveloppement 11.
Au cours du fonctionnement, la masse 12 de la matière plastique qui peut, suivant la nature de cette matière et les conditions du travail qu'elle est appelée à subir, se trouver selon divers états de plasticité, depuis un état voisin de l'état liquide jusqu'à un état voisin de l'état solide, est détachée sous la forme de couches extrmement minces par suite du fait que le filet va en augmentant de profondeur radiale dans la section d'expansion 15, jusqu'à ce que, pour une profondeur maximum du filet, la totalité de la masse de matière plastique ait été différenciée en ces couches minces.
Ces dernières sont travaillées sous une compression considérablement accrue dans toutes les directions, puis rabattues dans les rainures comprises entre les filets et étirées dans des directions sensiblement hélicoïdales sous ces pressions pour donner plus de résistance et d'uniformité à la matière plastique, comme décrit avec plus de précision ci-après. Dans la section de réduction 16 du mandrin 10, ces couches sont intégrées progressivement tout en étant encore travaillées sous pression pour former une matière en vrac homogénéisée et considérablement renforcée, au sein de laquelle un certain degré d'orientation des éléments dans des directions hélicoïdales, suivant la forme générale du filet, a été obtenu.
Par conséquent, le mode de différentiation de la matière en éléments (couches minces), puis de travail de ces éléments individuellement sous pression et de réintégration de ces mmes éléments avec orientation tandis qu'on continue à les travailler est effectué comme il vient d'tre dit dans l'appareil décrit.
La matière homogénéisée et renforcée peut tre utilisée directement pour former un tube ou tuyau ou, si l'appareil fait partie d'une machine d'extrusion, elle peut servir également pour le façonnage d'autres pièces extrudées, pour tre alors amenée à la tte d'extrusion après que le procédé décrit a été mis en oeuvre, comme indiqué ci-avant.
Dans la fig. 5 est représenté un autre mode de réalisation permettant la fabrication de tubes ou tuyaux en partant d'une bande préconformée et étirée en matière plastique ou en une autre matière se trouvant à l'état plastique, en assurant le processus de différentiation, de travail et d'intégration des éléments comme décrit ci-après.
Dans cette fig. 5, 30 désigne un mandrin cylindrique fixe pourvu de canaux 31 parcourus par un fluide chauffant ou servant à loger un élément chauffant électrique. Un anneau externe 32 tourne autour du mandrin sous l'action d'un dispositif convenable quelconque tel que l'engrenage désigné par 33 ; il est également muni de canaux 31 ou bien d'éléments électriques servant au chauffage.
L'alésage de l'anneau 32 va en diminuant graduellement de section et il est muni d'un filetage peu prononcé 34 qui va en diminuant de profondeur radiale vers l'extrémité de l'alésage qui a le diamètre le plus faible, en se raccordant avec une surface cylindrique lisse. Une bande préconformée et étirée 35 de matière plastique s'enroule hélicoïdalement sur le mandrin 30 sous l'effet d'un mécanisme d'enroulement qui peut ou non faire partie de l'anneau en rotation à son entrée. Cette bande préconformée et étirée de matière plastique a une section droite propre à faciliter le soudage sous la pression exercée par l'outil annulaire rotatif, par exemple une section droite rappelant la forme d'un Z, qui est indiquée pour la bande 35.
L'organe annulaire rotatif 32 refoule la bande de matière axialement le long de la surface du mandrin 30. Suivant une construction à adopter de préférence, un plateau d'adossement soumis à la charge d'un ressort tel que celui qui est représenté à propos de la construction que montre la fig. 10 est prévu pour résister à la compression axiale exercée à partir de l'entrée, et en mme temps l'organe annulaire comprime la bande à la fois radialement et axialement. Ceci est dû au fait que le filet est conçu avec de telles variations du point de vue profondeur radiale, pas, diamètre du cercle primitif et forme en profil, qu'on produit des efforts de pression avec les intensités et les directions qui sont nécessaires dans les directions radiale, axiale et circonférentielle.
La bande de matière est chauffée par suite de son contact avec le mandrin 30 et avec l'organe annulaire. Au moment où elle passe entre eux, elle subit dans une certaine mesure un étirage sous compression, tandis que les bords des sections adjacentes de la bande se soudent sous cette compression par des éléments d'épaisseur AR1, ÅaRo ... au cours du travail, en sorte que c'est un tube ou tuyau complet qui sort de l'extrémité la plus grle de l'appareil.
Les bords en contact de la bande de matière peuvent tre préalablement travaillés avant que cette bande ne s'enroule sur le mandrin, afin de faciliter leur réunion par soudage. Ainsi, par exemple, la bande peut passer à travers des rouleaux dentés qui la creusent et ramollissent ses bords, ou entre des éléments de préchauffage, comme décrit dans ce qui suit, en utilisant un chauffage par friction.
Dans les fig. 6 et 7 sont représentées en section droite des variantes d'une bande préconformée et étirée utilisables dans l'appareil que montre la fig. 5.
Par opposition à ce qui est le cas pour une machine d'extrusion des matières plastiques, le présent appareil peut fonctionner à des vitesses très grandes pour la production de tubes ou tuyaux et, par suite de sa simplicité et de sa légèreté, il peut tre monté sur un tracteur, par exemple pour produire sur place des tubes ou tuyaux en continu (c'est-à-dire d'un seul tenant) à partir d'une bande de matière préconformée et étirée fournie par des tambours, des bobines ou des sources d'alimentation analogues.
Du fait que la bande de matière préconformée a été soumise à des opérations d'étirage qui peuvent porter sa résistance à la traction à la limite maximum qu'on peut obtenir par étirage et orientation des macromolécules, qui est un multiple de sa résistance à l'état non étiré, surtout pour certaines matières plastiques, cet appareil permet la fabrication d'un tube ou tuyau possédant une résistance aux pressions internes dépassant celle d'un tube ou tuyau extrudé ordinaire au moins dans le rapport entre les résistances à la traction de la bande étirée et de la bande non étirée, tout en étant beaucoup moins sujet qu'eux au fluage à froid.
C'est là une considération extrmement importante dans les tubes ou tuyaux appelés à supporter de très fortes pressions internes. Ainsi donc, le procédé de production décrit ouvre un énorme domaine d'application à la technique de la fabrication des conduits constitués par certaines matières plastiques qui, lorsqu'ils étaient fabriqués par les procédés classiques. étaient trop faibles pour pouvoir résister aux pressions en question. En effet, le présent procédé permet la fabrication de tubes ou tuyaux beaucoup plus résistants, bien qu'ils n'aient pas une épaisseur de paroi supérieure, et ce en utilisant les mmes matériaux.
A titre de variante, le procédé permet de réaliser de notables économies du point de vue des matières employées et une réduction des autres frais de fabrication en permettant de réduire la consommation de matière par comparaison avec celle qu'imposent les procédés de fabrication classiques, tout en permettant d'obtenir une résistance satisfaisante à des pressions supérieures.
On conçoit que l'appareil représenté par la fig. 7 est applicable à une certaine gamme de matières, mais qu'il peut imposer un préchauffage des bords de la matière qui doivent tre soudés.
Si le système de chauffage représenté est prévu et si le filet est capable d'exercer les pressions très élevées qui sont requises dans diverses directions, l'appareil peut tre étudié de manière à traiter thermiquement la matière plastique en mme temps que le tube ou tuyau est fabriqué par le procédé en question, l'application de la chaleur provenant, soit des éléments eux-mmes, soit d'un travail mécanique, soit de sources de chauffage par rayonnement, soit de plusieurs de ces facteurs agissant selon diverses combinaisons.
Dans les fig. 8 et 9 est représenté un autre mode de réalisation qui permet de fabriquer un double tuyau en partant d'une bande préconformée et étirée en une matière plastique ou en une autre matière se présentant à l'état plastique, en soudant par friction les bandes de matière, ce mode de réalisation de l'invention permettant l'accomplissement du processus de différentiation, de travail et d'intégration des éléments qui est décrit ci-après.
Comme le montre la fig. 8, 40 désigne un mandrin fixe sur lequel la bande de matière préconformée 41 est étirée et enroulée par un outil annulaire 42 qui tourne sous l'action d'une source de force convenable constituée par exemple par un engrenage 43. Cet outil annulaire 42 est muni intérieurement d'un filet peu prononcé 44, ayant une profondeur radiale qui va en diminuant ainsi qu'un diamètre de cercle primitif décroissant, sans compter ses autres propriétés qui sont décrites ci-après. Dans cet outil 42 est monté en outre un organe de frottement hélicoïdal 45 se présentant sous la forme d'un couteau hélicoïdal pénétrant dans les espaces compris entre les bandes adjacentes. Du côté de l'entrée, un plateau d'adossement 46, soumis à la charge d'un ressort réglable 47 est prévu pour appliquer à la bande de matière une pression axiale prédéterminée.
Ceci sert à maintenir la pression axiale sur la bande, nonobstant les petites variations de largeur qui peuvent se manifester dans la bande de matière plastique préconformée.
Comme représenté, les organes de frottement 45 agissent tout d'abord en traversant toute l'épaisseur de la bande de matière plastique, pour se terminer sensiblement en contact avec le mandrin 40, et ils continuent de cette manière pendant le laps de temps requis pour produire un degré suffisant d'échauffement des bords à souder par friction, la sélection étant faite compte tenu de la vitesse de rotation, de la pression entre les tranches de la bande et l'organe de frottement (qui dépend à son tour du contour du filet), et aussi des propriétés de friction de la matière plastique et de l'organe de frottement.
Quand les conditions de soudage ont été remplies en ce qui concerne les tranches de la bande de matière, les organes de frottement diminuent graduellement de profondeur, ce qui produit un retrait graduel du couteau, tandis qu'en mme temps le filet est modifié de manière à repousser les bords et à les rapprocher sous la pression de soudage, ce qui a lieu juste au-dessous des tranchants du couteau, sans permettre l'accès de l'air qui nuirait au déroulement du soudage. Cette réduction des organes de frottement continue jusqu'à ce qu'en définitive ils s'effacent dans l'outil annulaire externe, le soudage intéressant alors la totalité de l'épaisseur de la paroi.
Dans cet exemple, il est prévu (comme représenté), en aval de l'organe de soudage par friction, un outil annulaire séparé 48, entraîné en rotation par un engrenage convenable 49. Cet outil annulaire supplémentaire peut tre rendu nécessaire (suivant les propriétés de soudage par friction et les autres propriétés de la matière qu'on emploie) en vue du travail supplémentaire de la matière, afin de donner au soudage sa pleine résistance si tel n'est pas déjà le cas du fait du traitement par l'outil de soudage agissant par friction.
A titre de variante, l'outil annulaire additionnel peut tre nécessaire pour faire avancer le tube ou tuyau conformé sur le mandrin, ou bien pour exercer une certaine résistance afin de maintenir la contre-pression axiale sur l'outil de soudage par friction. En vue de ces résultats, cet outil annulaire supplémentaire est muni d'un filet interne 50 qui est conçu en vue de l'un et/ou de l'autre des résultats susvisés. En fait, il peut y avoir avantage, aussi bien du point de vue de l'exercice d'une pression additionnelle en travers des points de soudage que du point de vue du travail de la matière et du point de vue de la neutralisation du couple exercé par l'outil de soudage par friction sur le tuyau lui-mme, à faire tourner cet outil supplémentaire en sens opposé du sens de rotation de l'outil de soudage par friction.
En raison du fait que la vitesse de friction entre les organes de frottement 45 et les bords de la bande de matière 41 est nécessairement limitée par la vitesse du mécanisme d'enroulement de cette bande, laquelle vitesse peut exiger de la part de l'outil annulaire 42 une trop grande longueur pour l'obtention de ce résultat, ce qui impliquerait un laps de temps trop long pour la pénétration incertaine de la chaleur au sein de la bande, il est prévu un équipage de travail et de préchauffage de la bande, comme le montrent les fig. 8 et 9. Cet équipage comprend un arbre 52 monté à rotation dans une pièce 53 montée sur l'outil 42 et sur lequel la bande 41 passe entre les pièces terminales 54 à mobilité axiale, qui sont soumises à la charge de ressorts réglables 55.
Sur l'arbre 52 est montée, entre les pièces terminales dont il vient d'tre parlé, une feuille héli coïdale 56 de métal ou d'une autre matière convenable, dans des conditions telles que cette feuille puisse tourner avec l'arbre mais soit mobile axialement par rapport à lui, ce qui a pour effet de séparer les bords qui doivent tre soudés de la bande 41.
L'effet de friction augmente avec la distance de l'effet de friction relative et avec la pression qui peut tre réglée par le ressort pour contribuer à un préchauffage rapide.
L'appareil de préchauffage qui est représenté assure, en outre, un certain degré d'étirage et d'allongement de la bande mme, et il peut effectuer ce travail très efficacement puisqu'il agit sous pression.
De plus, suivant les propriétés de la matière qu'on emploie, et qui peut parfois ne pas tre très facilement pliable, cet équipage de préchauffage peut remplir la fonction très importante consistant à imprimer à la bande de matière la courbure requise pour la faire arriver dans le dispositif de chauffage par friction. A cet effet, l'arbre 52 peut avoir une section droite allant en diminuant graduellement, son diamètre le plus grand correspondant à l'extrémité d'entrée de la bande et son diamètre le plus petit à son extrémité de sortie. On peut aussi prévoir, en vue du mme résultat, plusieurs dispositifs de préchauffage.
Le bande préchauffée est guidée vers le dispositif de soudage dans le canal 58, dont les parois peuvent tre isolées du point de vue thermique ou mme chauffées pour entretenir la température produite dans les tranches de la bande qui doivent tre soudées.
Un dispositif très simplifié formé essentiellement de deux disques de friction soumis à la charge de ressorts et entraînés en rotation à grande vitesse, entre lesquels passe la bande de matière, est décrit dans ce qui suit à propos de l'exemple d'appareillage pour le soudage par friction (fig. 11).
Le mode de réalisation comportant un soudage par friction peut, dans certaines circonstances, présenter des avantages considérables sur les autres modes de réalisation. En effet, dans le soudage par friction, seuls les bords effectifs à souder sont chauffés ; il en résulte que la vitesse de fabrication n'est pas limitée par d'autres facteurs, comme les retards survenant pour le refroidissement ou la solidification, et que les facteurs tels qu'un retrait possible, une distorsion et des phénomènes analogues avec changement de température n'ont pas à tre pris en considération.
En outre, avec la méthode de fabrication de tubes ou tuyaux en partant d'une bande de matière, il n'y a pas de limitation du diamètre du tube ou tuyau, l'outil rotatif étant capable d'tre établi en plusieurs sections ou, à titre de variante, n'ayant pas besoin d'tre constitué par un anneau complet afin d'tre un organe externe apte à remplir les fonctions requises du dispositif de chauffage par friction.
Si le procédé est appliqué à la production de tubes ou tuyaux formés de plusieurs couches de matière en partant d'une bande, chaque couche étant alors produite individuellement et étant enroulée de manière à résister aux efforts qui se manifestent dans une ou plusieurs directions particulières, des tuyaux dotés d'une très grande résistance par rapport à la quantité de matière employée peuvent tre produits par le procédé et l'appareil décrits.
Dans les fig. 10 et 11, est représenté un autre mode de réalisation de l'appareil que montrent les fig. 8 et 9, mais qui est conçu en vue de la fabrication de tubes ou tuyaux formés de deux couches constituées par une bande de matière préconformée.
L'appareil faisant l'objet du présent exemple peut tre étudié, bien entendu, de façon à produire n'importe quel nombre désiré de couches à partir de la bande de matière, avec des orientations héli cotidales différentes de la bande étirée, afin de résister de la façon la plus efficace aux diverses combinaisons d'efforts qui se manifestent, ou pour constituer des ensembles résistant bien aux fluctuations de la charge dans le cas de divers types de charges.
Dans les fig. 10 et 11, la bande de matière préconformée et étirée 61 est enroulée sur le mandrin 60 par l'outil annulaire 63 qui est monté et actionné par un dispositif convenable 64 se présentant sous la forme d'un engrenage. Le plateau d'adossement 65 soumis à la charge d'un ressort réglable 66 exerce une pression axiale sur la bande à son entrée dans l'outil annulaire.
Les organes de frottement 67, de nature métallique ou autre, sont placés dans le filet 68, sensiblement comme décrit à propos de l'exemple précédent, sauf que, dans ce cas, le filet a deux origines et qu'il est par conséquent prévu un organe de frottement hélicoïdal ayant lui aussi deux origines.
Dans ce cas, le filet est conçu de manière que sa profondeur radiale, son pas, le diamètre de son cercle primitif et sa forme en profil varient dans le sens de la longueur de l'outil annulaire suivant les propriétés de la matière plastique et divers autres facteurs, les couteaux de frottement étant dégagés graduellement.
En aval de l'outil annulaire de soudage est monté un outil annulaire de transport 69 participant également au travail, qui est monté à rotation sur un axe 70 et qui est entraîné par un dispositif approprié tel que l'engrenage 71. Son filet 72, dont une ou plusieurs des caractéristiques de profondeur radiale, de pas, de diamètre, de cercle primitif et de forme en profil varient sur sa longueur, est conçu de manière à remplir l'une ou l'autre des combinaisons requises en vue des résultats indiqués ci-après
a) Pour travailler la matière, surtout à travers
les soudages, si cela est nécessaire pour
amener ceux-ci à leur pleine résistance, et
si, par suite de la nature de la matière plas
tique et du procédé, ceci n'a pas été obtenu
par l'outil annulaire précédent.
b)
Pour contribuer à acheminer la couche 74
du tube ou tuyau formé dans l'appareillage
dans toute la mesure du possible malgré la
résistance due à la friction du mandrin.
c) Le cas échéant, pour engendrer une contre
pression axiale capable de maintenir la pres
sion dans l'outil annulaire de soudage 63.
d) Pour neutraliser le moment de torsion s'exer
çant sur le tuyau sous l'effet de l'outil de
soudage rotatif 63.
Pour permettre l'accomplissement de l'une ou l'autre ou de plusieurs des fonctions qui viennent d'
Ce facteur se traduit par une augmentation considérable de la résistance du tube ou tuyau vis-à-vis des charges qui pèsent sur celui-ci et, en raison des orientations différentes des bandes renforcées enroulées hélicoïdalement qui se trouvent dans les différentes couches, cette résistance se manifeste dans toutes les directions.
Ceci montre les avantages considérables d'un tube ou tuyau formé d'au moins deux couches de matière, comme décrit ci-avant, par comparaison avec un tube ou tuyau ayant la mme épaisseur de paroi, mais formé d'une seule couche ayant la mme épaisseur que les deux couches du premier tube ou tuyau, sans compter bien entendu le perfectionnement représenté par le tube ou tuyau formé d'une seule couche de matière, mais constitué par la bande de matière en question par comparaison avec un tube ou tuyau fabriqué par les méthodes conventionnelles.
Dans la fig. 12 est représenté un exemple de réalisation de l'appareil, servant à étirer sous pression circonférentiellement (et également au besoin axialement) une couche entrant dans la constitution d'un tube ou tuyau.
Dans cette fig. 12, le mandrin 80 est muni d'une section ou partie d'expansion 82 se terminant par une section cylindrique plus forte 83, celle-ci étant entourée d'un manchon 84 monté à rotation en 85 et entraîné par un engrenage 86, ce manchon présentant intérieurement une nervure hélicoïdale peu prononcée 87 partant d'une faible profondeur radiale et augmentant du point de vue du diamètre de son cercle primitif, ainsi que du point de vue de son pas dans le sens de sa longueur, afin de transporter la couche de matière 81 à travers l'appareil, de travailler et d'allonger cette couche de matière circonférentiellement (et, par suite de l'augmentation du pas, axialement) sous pression, ces allongements étant des intégrales d'allongements différentiels produits de façon continue.
L'appareil ainsi constitué peut tre combiné avec l'un quelconque des dispositifs décrits ou avec un dispositif classique afin de renforcer des tubes ou tuyaux ou des couches de matière entrant dans leur constitution, surtout quand il s'agit de la fabrication de tubes ou tuyaux formés de couches multiples.
Dans les fig. 13 et 14 est représenté un appareil servant à renforcer un tube ou tuyau en une matière plastique ou autre se présentant à l'état plastique au moyen d'une matière plus résistante se présen- tant sous la forme d'une bande, d'un fil, d'un cordon ou sous une forme analogue. Cet appareil est une adaptation de l'appareil constituant la première réalisation qui a été décrite en regard des fig. 1 à 4 il en diffère en ce sens que le filet se trouve dans le manchon externe rotatif, tandis que le mandrin ne tourne pas, et en outre en ce sens que dans sa section la plus profonde le filet ne pénètre pas la paroi du tube ou tuyau jusqu'au mandrin, mais seulement jusqu'à une profondeur à laquelle l'armature de renforcement doit tre placée.
L'appareil peut tre employé indépendamment ou bien sous la forme d'un accessoire mécanique se montant sur les machines de fabrication des tubes ou tuyaux, par exemple d'après le premier mode de réalisation, ou bien encore sous la forme d'un accessoire adaptable à n'importe quel appareillage de fabrication de tubes ou tuyaux, par exemple sous la forme d'un dispositif d'extrusion.
Dans les fig. 13 et 14, 93 désigne un mandrin cylindrique sur lequel se meut une ébauche de tube ou tuyau 92 provenant d'un dispositif d'extrusion 91; 94 désigne un outil annulaire rotatif dans lequel le filet hélicoïdal 98 à quatre origines s'amorce sans ressaut à partir de la surface cylindrique mé nagée à l'entrée, en augmentant graduellement du point de vue profondeur radiale dans la section d'expansion A , des deux côtés de la surface cylindrique originelle, en vue de façonner par pétrissage les rainures 98 qui vont en s'approfondissant graduellement dans l'ébauche de tuyau 92 encore plastique. et pour refouler la matière plastique déplacée, couche par couche, dans les crtes héli coïdales de profondeur croissante 100 qui séparent les rainures 99.
Au cours de cette opération, la matière est détachée par couches minces successives et empilée couche par couche pour former les nervures ou crtes, tout en étant chauffée (si nécessaire) par le dispositif chauffant 108-109 tout en étant travaillée sous des forces de compression accrues qui varient en direction et en intensité suivant les différentes formes des filets hélicoïdaux que traverse la matière plastique, comme il a déjà été expliqué à propos des fig. 1 à 4. A la hauteur de l'indentation 101 la plus profonde, le renforcement 102, qui n'est dessiné que schématiquement, est introduit à travers un canal 104 sous une tension uniforme et selon la position précise qui est imposée par la configuration du renforcement par un équipement de guidage 105-106.
Dans la section B de l'outil qui fait suite à la précédente, le filet hélicoïdal 98 présente un retrait graduel à partir des deux côtés jusqu'à la surface terminale cylindrique. Il en résulte que la matière qui, dans la section A, a été détachée couche par couche pour former les rainures 99, a été empilée pour former les crtes 100, et a subi un travail de compression, se trouve déroulée couche par couche et sous une pression et une température croissantes dans la section B, afin d'assurer une liaison satisfaisante uniforme avec le renforcement 102 et de réaliser une étanchéité parfaite au-dessus du renforcement, le joint étant constitué par une matière plastique homogénéisée et renforcée comme il a déjà été décrit à propos des fig.
1 à 4, les points d'affaiblissement, qui autrement nuiraient à la résistance totale du tube ou tuyau, ayant été supprimés dans la matière plastique soumise au traitement.
Dans la fig. 15 est représenté un appareil permettant la fabrication d'un tube ou tuyau renforcé en matière plastique, ou plus généralement en toute matière à l'état plastique, se présentant sous la forme d'une bande préconformée conjuguée à un renforcement enroulé avec cette bande, cet appareil étant une adaptation du deuxième mode de réalisation qui a déjà été décrit à propos des fig. 5, 6 et 7.
La construction et le fonctionnement du dispositif se comprennent en se reportant à la description de la fig. 7. Des numéros de référence analogues désignent les organes semblables. La différence réside ici dans l'introduction par le mécanisme d'enroulement du renforcement 111 en mme temps que la bande de matière préconformée est enroulée, cette bande étant conformée, par exemple suivant la section droite rappelant la forme d'un Z, qui est représentée, de manière à recevoir le renforcement dans une cavité ménagée entre les bandes adjacentes.
Dans la fig. 16, est représenté un autre exemple de bande de matière préconformée au sein de laquelle se trouve déjà le renforcement, qui a été introduit dans cette bande par un processus semblable à celui dont on se sert pour la fabrication des câbles engainés, et qui est ensuite transformée pour donner naissance au tube ou tuyau renforcé en partant d'une bande hélicoïdale à une ou plusieurs origines.
On conçoit que des tubes ou tuyaux comprenant plusieurs couches formées d'hélicoïdes à orientations différentes de manière à résister à des types d'efforts différents peuvent tre fabriqués en prévoyant un nombre d'éléments égal à celui des couches de matière afin d'enrouler des couches supplémentaires sur les couches précédentes, faisant office de mandrin. On peut fabriquer de mme des tubes ou tuyaux formés de couches de matière dont certaines sont renforcées alors que d'autres sont des couches rendues plus résistantes par l'appareillage prévu dans les exemples 5 à 12.
Method and apparatus for the continuous manufacture of a tubular part
The present invention relates to a method and an apparatus for the continuous manufacture of a tubular part, such as a tube, a pipe, for example in plastic material.
The main disadvantage of plastic pipes or tubes has heretofore been their insufficient strength compared to that of metal pipes and tubes, and also the tendency of many plastics to warp or creep. cold under the action of a load, so that it has not been possible, for example, to use plastic tubes or pipes to convey fluids under high pressures or even under medium pressures.
The present invention aims to provide a method and an apparatus for reinforcing elements of matter by orientation, making use of the inherent properties of the material, in particular in the case of certain plastics, instead of leaving these unused properties as is the case with conventional methods and apparatus.
To this end, the method which is the subject of the present invention is characterized in that the material intended to form said part is introduced between two members including an external member which surrounds, at least in part, an internal member, in that one drives one of these members with a continuous rotation, in that this material is differentiated under pressure using helical elements of this material, in that these elements are integrated by combining them in a substantially helical orientation, said member driven by continuous rotation having a work surface forming, at least partially, a helical thread, said other non-rotating member having a work surface substantially coaxial with the axis of rotation of the member driven by a rotation,
the surface tangent to the tops of the flats of the thread of the rotating member substantially forming a surface of revolution around said axis of rotation, said helical thread having a depth of at least zero in an axial position, so as to leave at least equal radial space to the thickness of the wall of the workpiece, this thread ensuring a radial variation, between said tangent surface and the working surface of the non-rotating member, over at least a considerable part of the axial length of said thread, of the cross-sectional surfaces of the grooves of this thread varying in the direction opposite to the variation of said radial space.
The elements in question can be subjected to stretching under pressure (the word stretching being taken here in its general sense) and, by combining said worked elements, the latter can be united (if their separate treatment has involved their separation). This approximation and joining may involve pressure welding, friction welding or the like process occurring under pressure.
The apparatus which is the subject of the invention for implementing the method which has just been indicated is characterized in that it comprises at least two members, one of which is an external member surrounding, at least partially, the other member. constituting an internal member, these members having working surfaces facing each other, means for rotating one of these members, the other being non-rotating and having its work surface substantially coaxial with respect to the axis of rotation of said member driven by rotation, the latter having, on its work surface, a helical thread, the surface tangent to the tops of the flats of said thread substantially forming a surface of revolution around said axis of rotation,
said thread having a depth equal to zero in at least one axial position so as to leave a radial space between said tangent surface and the working surface of the non-rotating member, this space being at least equal to the thickness of the wall of the workpiece, this thread ensuring a gradual variation of said space over at least a considerable part of the axial length of said thread, the cross sections of the grooves of this thread varying in the direction opposite to the variations of said radial space, so as to obtain a helical differentiation by working under pressure of the helical elements of the material of the part and to obtain the helical integration by combining these elements in a substantially helical orientation.
Said members can be constituted respectively by a mandrel and a sleeve, one of them being driven in a continuous rotation and having on its working surface a rib or a helical thread, of which at least one of the characteristics (depth radial, pitch, diameter of its pitch circumference and shape of the profile) varies over at least part of its length.
A few embodiments of the method that is the subject of the invention will be described below with the aid of the appended drawing illustrating, by way of example, embodiments of an apparatus for implementing this method. .
Fig. 1 is a longitudinal sectional view of the upper half of a first embodiment, this apparatus being designed with a view to performing a differentiating action on the bulk material, a working and an integrating action in one and same device.
Fig. 2 is a view similar to FIG. 1, showing a variant of the mandrel included in the apparatus.
Fig. 3 is a fragmentary cross-sectional view taken through line 3-3 in FIG. 1.
Fig. 4 is a sectional view similar to FIG. 1 showing a variant of the mandrel having a substantially uniform average diameter and usable in the first embodiment.
Fig. 5 is a fragmentary longitudinal sectional view of a second embodiment.
Figs. 6 and 7 are sectional views of a previously shaped strip of material having a cross section different from that shown in FIG. 5.
Figs. 8 and 9 are respectively an axial section and a section on 9-9 of FIG. 8 of a third embodiment of the apparatus, these views showing a device for working, preparing and friction welding a strip of preformed material, and for manufacturing a tube or pipe using this strip stretched and subjected to friction welding.
Figs. 10 and 1 1 are respectively an axial section and a section along 11-11 of FIG. 10 of a variant of this third apparatus, this variant being designed with a view to the friction welding of layers of pre-formed strips one above the other.
Fig. 12 is a sectional view of another device for working and stretching a layer of material.
Figs. 13 and 14 are respectively an axial section and a section on 14-14 of FIG. 13 of another variant embodiment, the construction being similar in principle to the first, but with a modification allowing a reinforcement to be incorporated into the material constituting the tube or pipe.
Fig. 15 is a fragmentary longitudinal sectional view of the embodiment shown in FIG. 5, but designed for the introduction of a reinforcement, the tube or pipe being established starting from a strip of preformed material.
Fig. 16 is a sectional view of a strip of preformed material, but within which is embedded a reinforcing frame, this strip of material being usable in the version of the device shown in FIG. 5.
In the apparatus represented by FIGS. 1 to 3, 10 denotes a mandrel which is driven in rotation around its axis under the action of some device, in a fixed cylindrical enveloping sleeve 11. This mandrel 10 has an average diameter which varies gradually; its smallest diameter is at its inlet end 14, that is to say at the point where the plastic material 12 is sent into the annular space between the mandrel 10 and the sleeve 11. The material plastic is driven and worked by a rib or a helical thread 13 integral with the surface of the mandrel 10.
This thread is a four-point thread, having a variable radial depth, a variable pitch circle diameter, a variable pitch and an equally variable profile shape; it starts at zero depth at its inlet end 14 from the cylindrical surface of the first part of mandrel 10, and increases in radial depth as well as in average diameter throughout the extent of section d 'expansion 15, up to a maximum where the deepest part of this thread 13 has a diameter substantially equal to the internal diameter of the enveloping sleeve 11.
The depth of the thread 13 is then gradually reduced throughout the extent of the reducing section 16, the mean diameter remaining substantially constant or increasing only at a lower rate than in the expanding section, until that the depth of the thread reaches zero at the outlet end 17 where the thread insensibly connects with a smooth cylindrical part of the mandrel 10.
Internal longitudinal ribs 18 of relatively short axial length are provided on the internal face of the enveloping sleeve 11 (as shown in Figs. 1 and 3), in order to prevent the material from rotating with the mandrel 10 to the output end 17.
Channels can be formed in the enveloping sleeve 11 or in the mandrel 10, or in these two elements at the same time, with a view to ensuring the circulation of steam or of another heating fluid. The mandrel which is shown in fig. 2 is hollow at the location indicated by 19 in order to allow the circulation of such a fluid. As a variant, the enveloping sleeve 11 or both can be heated electrically.
A ventilation system allowing the escape of air or other gases which are released during work can be provided in one or more suitable places of the enveloping sleeve 11.
During operation, the mass 12 of the plastic material which may, depending on the nature of this material and the working conditions it is called upon to undergo, be in various states of plasticity, from a state close to the state liquid to a state close to the solid state, is loosened in the form of extremely thin layers due to the fact that the thread increases radially in depth in the expansion section 15, until, for maximum depth of the thread, all of the plastic mass has been differentiated into these thin layers.
These are worked under considerably increased compression in all directions, then folded into the grooves between the threads and stretched in substantially helical directions under these pressures to give more strength and uniformity to the plastic, as described with more details below. In the reduction section 16 of mandrel 10, these layers are gradually integrated while still being worked under pressure to form a homogenized and considerably reinforced bulk material, within which a certain degree of orientation of the elements in helical directions, following the general shape of the net, was obtained.
Consequently, the mode of differentiating the matter into elements (thin layers), then of working these elements individually under pressure and of reintegrating these same elements with orientation while they continue to be worked is carried out as it has just been done. be said in the apparatus described.
The homogenized and reinforced material can be used directly to form a tube or pipe or, if the apparatus is part of an extrusion machine, it can also be used for the shaping of other extruded parts, in order to then be brought to the machine. extrusion head after the process described has been carried out, as indicated above.
In fig. 5 is shown another embodiment allowing the manufacture of tubes or pipes starting from a preformed and stretched strip of plastic material or other material in the plastic state, ensuring the process of differentiation, work and integration of the elements as described below.
In this fig. 5, 30 denotes a fixed cylindrical mandrel provided with channels 31 through which a heating fluid passes or serving to house an electric heating element. An outer ring 32 rotates around the mandrel under the action of any suitable device such as the gear designated by 33; it is also provided with channels 31 or else electrical elements used for heating.
The bore of the ring 32 gradually decreases in section and it is provided with a shallow thread 34 which decreases in radial depth towards the end of the bore which has the smallest diameter, by connecting with a smooth cylindrical surface. A preformed and stretched strip 35 of plastic material is wound helically on mandrel 30 under the effect of a winding mechanism which may or may not be part of the rotating ring as it enters. This preformed and drawn strip of plastic material has a straight section suitable for facilitating welding under the pressure exerted by the rotary annular tool, for example a straight section recalling the shape of a Z, which is indicated for the strip 35.
The rotating annular member 32 pushes the strip of material axially along the surface of the mandrel 30. According to a construction to be preferably adopted, a backing plate subjected to the load of a spring such as that which is illustrated in particular. of the construction shown in fig. 10 is designed to withstand the axial compression exerted from the inlet, and at the same time the annular member compresses the strip both radially and axially. This is due to the fact that the thread is designed with such variations in radial depth, pitch, pitch circle diameter and profile shape, that pressure forces are produced with the intensities and directions that are necessary in the radial, axial and circumferential directions.
The web of material is heated as a result of its contact with the mandrel 30 and with the annular member. As it passes between them, it undergoes to a certain extent a stretching under compression, while the edges of the adjacent sections of the strip are welded under this compression by elements of thickness AR1, ÅaRo ... during the work , so that it is a complete tube or pipe that comes out of the slender end of the device.
The edges in contact with the strip of material can be worked beforehand before this strip is wound up on the mandrel, in order to facilitate their joining by welding. Thus, for example, the strip can pass through toothed rollers which hollow out and soften its edges, or between preheating elements, as described in the following, using friction heating.
In fig. 6 and 7 are represented in cross section of the variants of a preformed and drawn strip which can be used in the apparatus shown in FIG. 5.
As opposed to what is the case for a plastic extrusion machine, the present apparatus can operate at very high speeds for the production of tubes or pipes and, owing to its simplicity and lightness, it can be mounted on a tractor, for example to produce on-site continuous (i.e. one-piece) tubes or pipes from a preformed and drawn strip of material supplied by drums, coils or analog power sources.
Because the preformed web of material has been subjected to stretching operations which can bring its tensile strength to the maximum attainable by stretching and orienting the macromolecules, which is a multiple of its tensile strength. 'unstretched state, especially for certain plastics, this apparatus permits the manufacture of a tube or pipe having a resistance to internal pressures exceeding that of an ordinary extruded tube or pipe at least in the ratio between the tensile strengths of stretched tape and unstretched tape, while being much less prone to cold creep than them.
This is an extremely important consideration in tubes or pipes called upon to withstand very high internal pressures. Thus, the production method described opens up a huge field of application to the technique of manufacturing conduits made up of certain plastics which, when they were manufactured by conventional methods. were too weak to withstand the pressures in question. Indeed, the present process allows the manufacture of much stronger tubes or pipes, although they do not have a greater wall thickness, and this by using the same materials.
As a variant, the process makes it possible to achieve significant savings in terms of the materials used and a reduction in other manufacturing costs by making it possible to reduce the consumption of material compared with that imposed by conventional manufacturing processes, while allowing satisfactory resistance to be obtained at higher pressures.
It will be understood that the apparatus represented by FIG. 7 is applicable to a certain range of materials, but that it may require preheating of the edges of the material which must be welded.
If the heating system shown is provided and if the net is capable of exerting the very high pressures which are required in various directions, the apparatus can be designed so as to heat treat the plastic material at the same time as the tube or pipe. is manufactured by the process in question, the application of heat originating either from the elements themselves, or from mechanical work, or from radiant heating sources, or from several of these factors acting in various combinations.
In fig. 8 and 9 is shown another embodiment which makes it possible to manufacture a double pipe starting from a preformed and stretched strip of a plastic material or of another material in the plastic state, by friction welding the strips of material, this embodiment of the invention allowing the accomplishment of the process of differentiation, work and integration of the elements which is described below.
As shown in fig. 8, 40 designates a fixed mandrel on which the pre-formed strip of material 41 is stretched and wound by an annular tool 42 which rotates under the action of a suitable source of force constituted for example by a gear 43. This annular tool 42 is provided internally with a shallow thread 44, having a decreasing radial depth as well as a decreasing pitch circle diameter, not to mention its other properties which are described below. In this tool 42 is further mounted a helical friction member 45 in the form of a helical knife penetrating into the spaces between the adjacent bands. On the entry side, a backing plate 46, subjected to the load of an adjustable spring 47 is provided to apply a predetermined axial pressure to the strip of material.
This serves to maintain the axial pressure on the strip, notwithstanding the small variations in width which may appear in the preformed plastic strip.
As shown, the friction members 45 first act through the entire thickness of the plastic strip, to end substantially in contact with the mandrel 40, and they continue in this manner for the period of time required to produce a sufficient degree of heating of the edges to be welded by friction, the selection being made taking into account the speed of rotation, the pressure between the edges of the strip and the friction member (which in turn depends on the contour of the net), and also the frictional properties of the plastic material and the friction member.
When the welding conditions have been fulfilled with regard to the edges of the strip of material, the friction members gradually decrease in depth, which produces a gradual withdrawal of the knife, while at the same time the thread is modified in such a way. to push the edges back and bring them together under the welding pressure, which takes place just below the cutting edges of the knife, without allowing the access of air which would interfere with the progress of the welding. This reduction of the friction members continues until they are finally erased in the external annular tool, the welding then involving the entire thickness of the wall.
In this example, there is provided (as shown), downstream of the friction welding member, a separate annular tool 48, driven in rotation by a suitable gear 49. This additional annular tool may be made necessary (depending on the properties). friction welding and other properties of the material used) for additional working of the material, in order to give the welding its full strength if this is not already the case due to the treatment by the tool welding acting by friction.
As a variant, the additional annular tool may be necessary to advance the tube or pipe shaped on the mandrel, or else to exert a certain resistance in order to maintain the axial back pressure on the welding tool by friction. In view of these results, this additional annular tool is provided with an internal thread 50 which is designed for one and / or the other of the aforementioned results. In fact, there may be an advantage, both from the point of view of exerting additional pressure across the welds and from the point of view of the working of the material and from the point of view of the neutralization of the torque. exerted by the friction welding tool on the pipe itself, to rotate this additional tool in the opposite direction to the direction of rotation of the friction welding tool.
Due to the fact that the speed of friction between the friction members 45 and the edges of the strip of material 41 is necessarily limited by the speed of the winding mechanism of this strip, which speed may demand from the tool annular 42 too long to obtain this result, which would imply too long a time lapse for the uncertain penetration of heat within the strip, a working and preheating crew of the strip is provided, as shown in fig. 8 and 9. This assembly comprises a shaft 52 mounted for rotation in a part 53 mounted on the tool 42 and on which the strip 41 passes between the end pieces 54 with axial mobility, which are subjected to the load of adjustable springs 55.
On the shaft 52 is mounted, between the end pieces just mentioned, a helical sheet 56 of metal or other suitable material, under conditions such that this sheet can rotate with the shaft but either movable axially with respect to it, which has the effect of separating the edges which must be welded from the strip 41.
The friction effect increases with the distance of the relative friction effect and with the pressure which can be adjusted by the spring to contribute to rapid preheating.
The preheating apparatus which is represented furthermore ensures a certain degree of stretching and elongation of the strip itself, and it can perform this work very efficiently since it acts under pressure.
In addition, depending on the properties of the material that is used, and which can sometimes not be very easily foldable, this preheating unit can fulfill the very important function of imparting to the strip of material the curvature required to make it arrive. in the friction heater. For this purpose, the shaft 52 may have a cross section gradually decreasing, its largest diameter corresponding to the inlet end of the strip and its smallest diameter to its outlet end. With a view to the same result, several preheating devices can also be provided.
The preheated strip is guided towards the welding device in the channel 58, the walls of which can be thermally insulated or even heated to maintain the temperature produced in the edges of the strip which are to be welded.
A very simplified device formed essentially of two friction discs subjected to the load of springs and driven in rotation at high speed, between which the strip of material passes, is described in the following with regard to the example of apparatus for the friction welding (fig. 11).
The embodiment comprising friction welding may, in certain circumstances, have considerable advantages over the other embodiments. In fact, in friction welding, only the effective edges to be welded are heated; as a result, the manufacturing speed is not limited by other factors, such as delays occurring in cooling or solidification, and factors such as possible shrinkage, distortion and the like with change of temperature do not have to be taken into consideration.
Furthermore, with the method of manufacturing tubes or pipes starting from a strip of material, there is no limitation on the diameter of the tube or pipe, the rotary tool being capable of being established in several sections or , as a variant, not needing to be constituted by a complete ring in order to be an external member capable of fulfilling the required functions of the friction heating device.
If the process is applied to the production of tubes or pipes formed of several layers of material starting from a strip, each layer then being produced individually and being wound in such a way as to resist the forces which appear in one or more particular directions, pipes endowed with a very high resistance compared to the quantity of material used can be produced by the method and apparatus described.
In fig. 10 and 11, there is shown another embodiment of the apparatus shown in FIGS. 8 and 9, but which is designed for the manufacture of tubes or pipes formed of two layers consisting of a strip of preformed material.
The apparatus forming the subject of the present example can be studied, of course, so as to produce any desired number of layers from the strip of material, with helical orientations different from the stretched strip, in order to to resist in the most effective way the various combinations of forces which occur, or to form assemblies which withstand load fluctuations well in the case of various types of loads.
In fig. 10 and 11, the strip of preformed and stretched material 61 is wound onto the mandrel 60 by the annular tool 63 which is mounted and actuated by a suitable device 64 in the form of a gear. The backing plate 65 subjected to the load of an adjustable spring 66 exerts an axial pressure on the strip as it enters the annular tool.
The friction members 67, of metallic or other nature, are placed in the net 68, substantially as described in connection with the previous example, except that, in this case, the net has two origins and that it is therefore expected a helical friction member also having two origins.
In this case, the thread is designed so that its radial depth, its pitch, the diameter of its pitch circle and its profile shape vary in the direction of the length of the annular tool depending on the properties of the plastic and various other factors, the friction knives being released gradually.
Downstream of the annular welding tool is mounted an annular transport tool 69 also participating in the work, which is rotatably mounted on an axis 70 and which is driven by a suitable device such as the gear 71. Its thread 72, of which one or more of the characteristics of radial depth, pitch, diameter, pitch circle and shape in profile vary along its length, is designed to fulfill either of the combinations required for the results indicated below
a) To work with the material, especially through
welds, if necessary to
bring these to their full resistance, and
if, owing to the nature of the matter,
tick and process, this was not achieved
by the previous annular tool.
b)
To help carry layer 74
of the tube or pipe formed in the switchgear
as much as possible despite the
resistance due to chuck friction.
c) If necessary, to generate a counter
axial pressure capable of maintaining the pres
pressure in the ring welding tool 63.
d) To neutralize the torsional moment exerted
pressing on the pipe under the effect of the
rotary welding 63.
To allow the accomplishment of one or the other or more of the functions which come from
This factor results in a considerable increase in the resistance of the tube or pipe vis-à-vis the loads weighing on it and, due to the different orientations of the helically wound reinforced bands which are in the different layers, this resistance manifests itself in all directions.
This shows the considerable advantages of a tube or pipe formed from at least two layers of material, as described above, by comparison with a tube or pipe having the same wall thickness, but formed from a single layer having the same wall thickness. same thickness as the two layers of the first tube or pipe, without counting of course the improvement represented by the tube or pipe formed from a single layer of material, but consisting of the strip of material in question by comparison with a manufactured tube or pipe by conventional methods.
In fig. 12 is shown an exemplary embodiment of the apparatus, serving to stretch under pressure circumferentially (and also if necessary axially) a layer entering into the constitution of a tube or pipe.
In this fig. 12, the mandrel 80 is provided with an expansion section or part 82 terminating in a stronger cylindrical section 83, the latter being surrounded by a sleeve 84 rotatably mounted at 85 and driven by a gear 86, this sleeve internally having a shallow helical rib 87 starting from a shallow radial depth and increasing from the point of view of the diameter of its pitch circle, as well as from the point of view of its pitch in the direction of its length, in order to transport the layer of material 81 through the apparatus, to work and elongate this layer of material circumferentially (and, as a result of the increase in pitch, axially) under pressure, these elongations being integrals of continuously produced differential elongations .
The apparatus thus formed can be combined with any one of the devices described or with a conventional device in order to reinforce tubes or pipes or layers of material entering into their constitution, especially when it comes to the manufacture of tubes or pipes. pipes formed from multiple layers.
In fig. 13 and 14 there is shown an apparatus for reinforcing a tube or pipe of a plastic or other material in the plastic state by means of a more resistant material in the form of a strip, a strip. wire, cord, or the like. This device is an adaptation of the device constituting the first embodiment which has been described with reference to FIGS. 1 to 4 it differs from it in that the thread is in the rotating outer sleeve, while the mandrel does not turn, and furthermore in that in its deepest section the thread does not penetrate the tube wall or pipe to the mandrel, but only to a depth at which the reinforcement must be placed.
The apparatus can be used independently or else in the form of a mechanical accessory mounted on the machines for manufacturing tubes or pipes, for example according to the first embodiment, or else in the form of an accessory. adaptable to any apparatus for manufacturing tubes or pipes, for example in the form of an extrusion device.
In fig. 13 and 14, 93 designates a cylindrical mandrel on which moves a tube or pipe blank 92 coming from an extrusion device 91; 94 designates a rotary annular tool in which the four-point helical thread 98 starts seamlessly from the cylindrical surface formed at the entry, gradually increasing in radial depth in the expansion section A, on both sides of the original cylindrical surface, in order to form by kneading the grooves 98 which gradually deepen into the still plastic pipe blank 92. and to force the displaced plastic material, layer by layer, into the helical ridges of increasing depth 100 which separate the grooves 99.
During this operation, the material is loosened in successive thin layers and stacked layer by layer to form the ribs or ridges, while being heated (if necessary) by the heater 108-109 while being worked under compressive forces. increases which vary in direction and intensity according to the different shapes of the helical threads through which the plastic material passes, as has already been explained with regard to FIGS. 1 to 4. At the height of the deepest indentation 101, the reinforcement 102, which is only drawn schematically, is introduced through a channel 104 under uniform tension and according to the precise position which is imposed by the configuration. reinforcement by guidance equipment 105-106.
In section B of the tool which follows on from the previous one, the helical thread 98 has a gradual withdrawal from both sides to the cylindrical end surface. As a result, the material which in section A has been peeled away layer by layer to form the grooves 99, has been stacked to form the ridges 100, and has undergone compression work, is unwound layer by layer and below. increasing pressure and temperature in section B, in order to ensure a uniform satisfactory bond with the reinforcement 102 and to achieve a perfect seal above the reinforcement, the seal being constituted by a homogenized plastic material and reinforced as it has already been described with reference to fig.
1 to 4, the weakening points, which would otherwise impair the total strength of the tube or pipe, having been removed in the plastic subjected to the treatment.
In fig. 15 is shown an apparatus allowing the manufacture of a reinforced tube or pipe in plastic material, or more generally in any material in the plastic state, in the form of a preformed strip combined with a reinforcement wound with this strip, this device being an adaptation of the second embodiment which has already been described with reference to FIGS. 5, 6 and 7.
The construction and operation of the device can be understood by referring to the description of FIG. 7. Like reference numerals denote like members. The difference here lies in the introduction by the winding mechanism of the reinforcement 111 at the same time as the preformed material strip is wound up, this strip being shaped, for example along the cross section recalling the shape of a Z, which is shown, so as to receive the reinforcement in a cavity formed between the adjacent bands.
In fig. 16, is shown another example of a strip of preformed material in which the reinforcement is already located, which has been introduced into this strip by a process similar to that which is used for the manufacture of sheathed cables, and which is then transformed to give rise to the reinforced tube or pipe starting from a helical strip at one or more origins.
It is understood that tubes or pipes comprising several layers formed of helicoids with different orientations so as to withstand different types of forces can be manufactured by providing a number of elements equal to that of the layers of material in order to wind up additional layers on previous layers, acting as a mandrel. Tubes or pipes formed of layers of material, some of which are reinforced while others are layers made more resistant by the apparatus provided for in Examples 5 to 12, can be manufactured in the same way.