EP0162765A1 - Dispositif multiplicateur d'effort en particulier pour la commande de machines-outils - Google Patents

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EP0162765A1
EP0162765A1 EP85400837A EP85400837A EP0162765A1 EP 0162765 A1 EP0162765 A1 EP 0162765A1 EP 85400837 A EP85400837 A EP 85400837A EP 85400837 A EP85400837 A EP 85400837A EP 0162765 A1 EP0162765 A1 EP 0162765A1
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EP
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piston
fluid
receiving
chamber
force
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EP85400837A
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Inventor
Christian Bazot
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Domange-Jarret SA
Original Assignee
Domange-Jarret SA
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B21/00—Common features of fluid actuator systems; Fluid-pressure actuator systems or details thereof, not covered by any other group of this subclass
    • F15B21/06—Use of special fluids, e.g. liquid metal; Special adaptations of fluid-pressure systems, or control of elements therefor, to the use of such fluids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B7/00—Systems in which the movement produced is definitely related to the output of a volumetric pump; Telemotors

Definitions

  • the subject of the invention is a force multiplier device, in particular for the control of machine tools.
  • Many machine tools have tool-holder mechanisms that require precise, efficient and quick attachment of tools.
  • a device conventionally used calls for fixing the tool to the tool holder by means of elastic washers, for example of the Belleville type which firmly hold the tool at the bottom of its support. The removal of the tool can only be obtained by compression of the Belleville washers, which requires the application of very high pressures, for example of the order of 1,800 daN (deca Newton).
  • Such tool-holder mechanisms equip for example lathes, cutters, etc.
  • Effort multipliers are known in the art making it possible to solve the aforementioned problems.
  • the force is applied to a "first" piston-emitter of reduced surface, displacing a hydraulic fluid in a first chamber in which it moves, and the force is received on a second "receiving" piston.
  • the ratio of the surface of the emitting piston to that of the receiving piston dictates, according to Pascal's principle, the ratio of the forces emitted and received; of course the strokes of the emitting piston and the receiving piston are in the reverse order of the forces.
  • the object of the invention is to create a new force multiplier device of the general type mentioned above, but which does not have the drawbacks thereof, taking into account a particular construction design and the use made in the field.
  • new device of the invention not of a hydraulic fluid, but of a high viscosity elastomer, such as for example a silicone gum which may have the usual temperature of use a viscosity of the order of 10 to 20.10 6 Cts (centistokes).
  • the receiving piston is formed at its front end, with a greater surface reach sliding in the working chamber and at its rear end with a reduced surface reach, at least one passage being provided in the piston, for the fluid, connecting the rear face of the piston and the internal volume of the working chamber behind said front bearing of the piston.
  • a force multiplier device 1 mounted in place inside a device 2 tool holder.
  • the tool holder device comprises a tool locking system 3 (not shown) which is tensioned by Belleville type washers 4. "Un-clamping" or disassembly of the tool is authorized if one exercises on the Belleville washers in the direction of arrow F a sufficient pressure force, for example of 1.800 daN 'over a determined stroke, for example of 3mm. It is the role of the force multiplier device 1 to allow the exertion of the force F of given value over the desired stroke from a commanded upper but lower intensity stroke force delivered for example by a pneumatic, mechanical or hydraulic cylinder 5.
  • the cylinder 5 is capable of developing a force f of the order of 545 daN over a stroke of approximately 11 mm.
  • the force is applied to the "sending" piston 6 of the device 1, which restores the force F at the other end to the "receiving" piston.
  • the device 1 is in the form of a cylinder which can be easily mounted at the rear of the tool holder 2 by introducing it into the cavity of the tool holder 2 in the direction of the arrow 8 until it stops against the shoulder 9, the fixing of the device in the tool holder being completed by fitting. the flange 10 and the fixing screw 11.
  • Figures 2 and 3 we will now refer to Figures 2 and 3 to describe in detail the force multiplier device of the invention.
  • the multiplier device 1 comprises, as already indicated, a “putting” piston 6 and a “receiving” piston 7 which are housed in a cylindrical body 12 advantageously made of bronze to facilitate the sliding of the pistons, for example of chromed steel, inside the body 12.
  • the body 12 essentially comprises two bore diameters 13 of large surface area and 14 of relatively small surface area respectively, these two surfaces corresponding respectively to the working surfaces of the "receiving" piston 7 and the "emitting” piston 6.
  • the entire assembly is advantageously circular cylindrical centered on axis 15 of the device.
  • orient the device by calling “front” (AV) one end of the device and “rear” (AR) the other end of the device.
  • the "receiving" piston 7 is formed at its front end with a bearing formed by two shoulders 16, 17 with surface corresponding to the large diameter bore 13 of the body 12, and at its AR end with a reduced surface area 18 corresponding to the small diameter 14 of the body 12.
  • the piston can be lengthened and suitably centered-in its sliding movement parallel to the axis 15.
  • an O-ring seal 19 and a split anti-extrusion ring 20 for the seal.
  • Behind the shoulder 16 is mounted a scraper seal 21 suitable for the use of the elastomeric pressure transmission fluid introduced inside the system as will be described later.
  • the receiving piston 7 has a central bore 22 opening out towards the rear increasing the volume of the working chamber.
  • the bore 22 communicates with the annular free space 23 formed between the skirt of the piston behind the shoulder 16 and the bore 13 of large diameter of the body 12 by means of passages formed by orifices 24 drilled transversely, radially through the piston skirt 7.
  • the emitting piston mounted at the rear of the device has two shoulders 25, 26 forming a sliding surface against the reduced diameter 14 of the body 12.
  • the latter is formed at its front portion with a reduced diameter section 27 on which is mounted a guide ring 28 comprising numerous orifices longitudinal 29 for the passage of the fluid.
  • Behind this ring there is successively a scraper seal 30 (similar to seal 21), the shoulder 25, an O-ring seal 31 (similar to seal 19), an anti-extrusion ring 32 (similar to the anti-extrusion ring 20) then the shoulder 26.
  • the seal 31 and the ring 32 are thus held in the groove 37 formed between the shoulders 25 and 26.
  • a borehole 33 has been made, closed at its rear part by a valve which in the example illustrated consists of a ball 34 pressed by a screw 35.
  • the volume of the chambers can be precisely calculated so that the best pressure rise and response curves of the device are obtained, by playing in particular on the size of the bore 22 formed in the "receiving" piston 7. given the quality of the elastomer used, there is no risk of any leakage from the device once the screw 34 has been replaced and the screw 35 properly tightened. Furthermore, any recharging of the device could be done simply.
  • the ratio of the forces is proportional to the ratio of the surfaces of the "emitting" piston acting in the chamber of diameter 14 and the “receiving” piston sliding by its shoulders 16, 17 in the chamber of diameter 13.
  • the stroke ratio is substantially inversely proportional to the ratio of surfaces, with a slight decrease due to the compressibility of the elastomer which ensures a g experiences pressure on the device, therefore flexible control of the tool holder.
  • the system described does not require an alignment of the "sending" piston and the "receiving” piston, although this arrangement is generally simpler and more compact.
  • the metal O-ring 40 made of spring steel retaining the receiving piston 7, front side and the peripheral slot 41 formed in the body 12 allowing it to be extracted.
  • the usual viscosity range has been indicated 1 0 to 20.10 6 Cts (centistokes). This range can be widened, for example by using viscous oils having viscosities of the order of 5 to 10 ⁇ 10 6 Cts.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif multiplicateur d'effort du type dans lequel l'effort est appliqué sur un premier piston "émetteur" de surface réduite (6) déplaçant un fluide dans une première chambre dans laquelle il se déplace et l'effort est reçu sur un second piston "récepteur" (7) de surface plus importante déplaçant un fluide dans une seconde chambre (13) dans laquelle il se déplace, lesdites deux chambres formant un volume fermé communiquant pour le confinement d'un fluide de travail. Selon l'invention, le fluide de travail est un élastomère à haute viscosité et le piston "récepteur" est formé avec une partie en creux (22) communiquant par des passages (24) formés à travers la jupe du piston sous la tête de portée élargie (16, 17) du piston et en arrière de lui avec le volume de la chambre (14) mise en pression par le piston "émetteur" (6). L'invention s'applique notamment au dé-clampage des outils pour mécanismes porte-outils de machines-outils.

Description

  • L'invention a pour objet un dispositif multiplicateur d'effort, en particulier pour la commande de machines-outils. De nombreuses machines-outils comportent des mécanismes porte-outils qui nécessitent une fixation précise, efficace et rapide des outils. Un dispositif classiquement utilisé fait appel à une fixation de l'outil sur le porte-outils au moyen de rondelles élastiques, par exemple.du type Belleville qui maintiennent fermement l'outil au fond de son support. L'enlèvement de l'outil ne peut être obtenu que par compression des rondelles Belleville, ce qui nécessite l'application de pressions très importantes, par exemple de l'ordre'de 1. 800 daN (déca Newton). De tels mécanismes porte-outils équipent par exemple des tours, des fraises, etc...
  • On connaît dans la technique des dispositifs multiplicateurs d'effort permettant de résoudre les .problèmes sus-mentionnés. Dans les dispositifs connus, l'effort est appliqué sur un-premier-piston "émetteur" de surface réduite, déplaçant un fluide hydralique dans une première chambre dans laquelle il se déplace, et l'effort est reçu sur un second piston "récepteur" de surface plus importante déplaçant le fluide hydraulique dans une seconde chambre dans laquelle le piston se déplace, lesdites deux chambres formant entre les pistons et avec leurs conduits éventuels de liaison un volume fermé sensiblement constant de confinement des fluides. Le rapport de la surface du piston émetteur à celle du piston récepteur dicte, selon le principe de Pascal le rapport des efforts émis et reçus ; bien entendu les courses du piston émetteur et du piston récepteur sont dans l'ordre inverse des efforts. L'inconvénient de ce type de dispositif est qu'il nécessite une très grande précision d'usinage, en particulier pour éviter les fuites de fluide hydraulique. L'usure réduit la durée d'usage et la fiabilité des dispositifs. En outre il existe certains inconvénients propres tels que : temps de réponse trop long des systèmes, montée en pression trop rapide, - etc...
  • L'invention a pour objet de créer un nouveau dispositif multiplicateur d'effort du type général sus-mentionné, mais qui n'en présente pas les inconvénients, compte-tenu d'une conception de construction particulière et de l'usage fait dans le dispositif nouveau de l'invention non pas d'un fluide hydraulique, mais d'un élastomère à haute viscosité, tel par exemple qu'une gomme de silicone pouvant présentera la température habituelle d'emploi une viscosité de l'ordre de 10 à 20.106 Cts (centistokes).
  • Selon une disposition préférée, le piston récepteur est formé à son extrémité avant, avec une portée de surface plus importante coulissant dans la chambre de travail et à son extrémité arrière avec une portée de surface réduite, au moins un passage étant ménagé dans le piston, pour le fluide., reliant la face arrière du-piston et le volume interne de la chambre de travail en arrière de ladite portée avant du piston. De cette façon on obtient un-bon guidage mécanique du piston récepteur, tout en assurant une construction compacte du système et un volume de fluide de travail.suffisant et bien adapté pour assurer la montée souple en pression du système et un "dé-clampage" de l'outil dans son porte-outil.
  • La construction et la mise en oeuvre de l'invention apparaîtront plus clairement à l'aide de la description qui va suivre faite en référence aux dessins annexés illustrant à titre d'exemple-un mode de mise en oeuvre. Dans ces dessins :
    • La figure 1 est une vue générale montrant schématiquement l'application du dispositif au "dé-clampage" d'un outil.
    • La figure 2 montre en coupe longitudinale et à plus grande échelle le dispositif multiplicateur d'effort conforme à l'invention et illustré schématiquement, monté en place dans un porte-outil à la figure 1.
    • La figure 3 montre en vue perspective et éclatée différents éléments essentiels du dispositif de la figure 2.
  • En se reportant tout d'abord à la figure 1, on aperçoit un dispositif multiplicateur d'effort 1 conforme à l'invention monté en place à l'intérieur d'un dispositif 2 porte-outil. Le dispositif porte-outil comporte un système 3 de verrouillage d'outil (non représenté) qui est mis sous tension par des rondelles type Belleville 4. Le "dé-clampage" ou démontage de l'outil est autorisé si l'on exerce sur les rondelles Belleville dans le sens de la flèche F un effort de pression suffisante par exemple de 1.800 daN' sur une course déterminée, par exemple de 3mm. C'est le rôle du dispositif 1 multiplicateur d'effort que de permettre.d'exercer la force F de valeur donnée sur la course désirée à partir d'une commandé d'effort de course supérieure mais d'intensité inférieure délivrée par exemple par un vérin pneumatique, mécanique ou hydraulique 5.Dans l'exemple illustré,le vérin 5 est capable de développer un effort f de l'ordre de 545 daN sur une'course d'environ 11mm. L'effort est appliqué sur le piston "émetteur" 6 du dispositif 1, qui restitue à l'autre extrémité sur le piston "récepteur".7 la force F.
  • Dans l'exemple illustré, le dispositif 1 se présente sous la forme d'un cylindre que l'on peut monter facilement à l'arrière du porte-outil 2 en l'introduisant dans la cavité du porte-outil 2 dans le sens de la flèche 8 jusqu'à butée contre l'épaulement 9, la fixation du dispositif-dans le.porte-outil étant parachevée par pose de . la bride 10 et de vis de fixation 11.-On se référera maintenant aux figures 2 et 3 pour décrire en détail le dispositif multiplicateur d'effort de l'invention.
  • Le dispositif multiplicateur 1 comporte comme on l'a déjà indiqué un piston "metteur" 6 et un piston "récepteur" 7 qui sont logés dans un corps cylindrique 12 avantageusement constitué en bronze pour faciliter le coulissement des pistons, par exemple en acier chromé, à l'intérieur du corps 12. Le corps 12 comprend essentiellement deux diamètres d'alésage respectivement 13 de grande surface et 14 de surface relativement réduite, ces deux surfaces correspondant respectivement.aux surfaces de travail du piston "récepteur" 7 et du piston "émetteur" 6. L'ensemble du montage.est avantageusement cylindrique circulaire centré sur l'axe 15 du dispositif.
  • Pour la facilité de la description, on orientera le dispositif en appelant "avant" (AV) une extrémité du dispositif et "arrière" (AR) l'autre extrémité du dispositif.
  • Comme on le voit plus clairement à la figure 3, le piston "récepteur" 7 est formé à son extrémité AV avec une portée formée par deux épaulements 16, 17 de surface correspondant à l'alésage de grand diamètre 13 du corps 12, et à son extrémité AR avec une portée 18 de surface réduite correspondant au petit diamètre 14-du corps 12. De cette façon,le piston peut être allongé et convenablement centré-dans son mouvement de coulissement parallèlement à l'axe 15. Entre les épaulenents 16 et 17, dans une gorge 36 ainsi formée sont montés un joint torique 19 d'étanchéité et une bague fendue 20 anti-extrusion pour le joint. Derrière l'épaulement 16 est monté un joint racleur 21 adapté à l'usage du fluide élastomère de transmission de pression introduit à l'intérieur du système comme il sera décrit plus loin.
  • De façon à améliorer. les performances dû système et loger sous un faible encombrement le volume le plus approprié de fluide élastomère transmetteur de pression, le piston récepteur 7 comporte un alésage central 22 débouchant vers l'arrière accroissant le volume de la chambre de travail. L'alésage 22 communique avec l'espace libre annulaire 23 ménagé entre la jupe du piston derrière l'épaulement 16 et l'alésage 13 de grand diamètre du corps 12 au moyen de passages formés par des orifices 24 forés transversalement, radialement à travers la jupe du piston 7.
  • Le piston émetteur monté à l'arrière du dispositif comporte deux épaulements 25, 26 formant portée coulissant contre le diamètre réduit 14 du corps 12. Pour allonger la partie de guidage du piston "émetteur", celui-ci est formé à sa partie AV avec une section de diamètre réduit 27 sur laquelle est montée une bague 28 de guidage comportant de nombreux orifices longitudinaux 29 pour le passage du fluide. Derrière cette bague on trouve successivement un joint racleur 30 (analogue au joint 21), l'épaulement 25, un joint d'étanchéité torique 31 (analogue au joint 19), une bague anti-extrusion 32 (analogue à la bague anti-extrusion 20) puis l'épaulement 26. Le joint 31 et la bague 32 sont ainsi maintenus dans la gorge 37 ménagée entre les épaulements 25 et 26.
  • Au centre du piston 6 a été réalisé un forage 33 fermé à sa partie arrière par un clapet qui dans l'exemple illustré est constitué d'une bille 34 pressée par une vis 35.
  • La mise en oeuvre de fonctionnement du dispositif va 'être maintenant décrite.
  • Le dispositif étant assemblé comme illustré à la figure 2, on dévisse la vis 35, on retire la vis 34 et l'on introduit dans le dispositif jusqu'.à refus la quantité de fluide élastomère requise. Le volume des chambres peut être précisément calculé pour que l'on obtienne les meilleures courbes de montée en pression et de réponse du dispositif, en jouant notamment sur l'importance de l'alésage 22 formé dans le piston "récepteur" 7. Compte-tenu de la qualité de l'élastomère utilisé, on ne risque aucune fuite-du dispositif-une fois qu'on a replacé la vis 34 et convenablement serré la vis 35. En outre une recharge éventuelle du dispositif pourrait se faire simplement.--Le rapport des efforts est proportionnel au rapport des surfaces du piston "émetteur" agissant dans la chambre de diamètre 14 et du piston "récepteur" coulissant par ses épaulements 16,17 dans la chambre de diamètre 13. Le rapport des courses est sensiblement inversement proportionnel au rapport des surfaces, avec une légère diminution due à la compressibilité de l'élastomère qui assure une montée pro- gressive en pression du dispositif, donc une commande souple du porte-outil.
  • On notera que dans un dispositif du type décrit, la durée de vie du dispositif est considérablement allongée par rapport aux dispositifs hydrauliques connus. En outre, les seules pièces sujettes à vieillissement sont les joints qui peuvent être éventuellement changés quand le besoin s'en fait sentir.
  • Bien entendu, le système décrit n'oblige pas à un alignement du piston "émetteur" et du piston "récepteur", bien que cette disposition soit en général plus simple et plus compacte. Cependant, pour certains mécanismes porte-outils, on peut être amené à.'construire, le dispositif dans un corps dans lequel sont ménagées les deux chambres dans lesquelles coulissent le piston "émetteur" et le piston "récepteur", et ces chambres-peuvent avoir des axes différents pourvu qu'elles soient reliées entre elles par au moins un passage de communication pour le fluide.
  • Dans l'exemple illustré figures 2 et 3, on notera plus particulièrement le jonc torique métallique 40 en acier à ressort retenant le piston récepteur 7, côté avant et la fente périphérique 41 ménagée dans le corps 12 permettant de l'extraire.
  • . On notera que dans l'exemple décrit, l'ensemble des pistons émetteur 6 et récepteur 7 est retenu dans un corps rapporté 12 monté dans le porte-outil 2.'Cependant, le porte-outil peut être usiné de façon à constituer l'enveloppe 12 et dans ce cas, les pièces repérées 9, 10, et 11 (figure 1) sont supprimées.
  • De même, on a indiqué que, pour faciliter le coulis- 'sement des pistons 6 et 7, dans le corps 12, on choisissait avantageusement des matériaux compatibles à excellent coefficient de coulissement tels que acier chromé/bronze. D'autres matériaux peuvent être utilisés tels que acier bronzé/acier chromé et la chambre de coulissement peut comporter une fourrure rapportée adaptée.
  • On a indiqué comme fourchette usuelle de viscosité 10 à 20.106 Cts (centistokes). Cette fourchette peut être élargie, par exemple par utilisation d'huiles visqueuses présentant des viscosités de l'ordre de 5 à 10.106 Cts.

Claims (12)

1. Dispositif multiplicateur d'effort du type dans lequel l'effort est appliqué sur un premier piston "émetteur" (6) de surface réduite déplaçant un fluide dans une première chambre (14) dans laquelle il se déplace et l'effort est reçu sur un second piston "récepteur" (7) de surface plus importante déplaçant un fluide dans une deuxième chambre (13) dans laquelle il. se déplace, lesdites deux-chambres formant entre lesdits pistons et avec leurs conduits éventuels de liaison un volume fermé sensiblement constant de confinement desdits fluides, caractérisé en ce que le fluide de transmission d'effort remplissant et reliant entre elles lesdites deux chambres est un élastomère à haute viscosité.
2. Dispositif multiplicateur d'effort selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit second piston "récepteur" (7) est formé à son extrémité avant avec une portée (16, 17) de surface plus importante coulissant dans ladite deuxième chambre (13) et à son extrémité arrière avec une portée (18) de surface réduite, au moins un passage (22, 24) étant ménagé dans le piston, pour le fluide, reliant la face arrière du piston et le volume interne de ladite seconde chambre (14) en.arrière de ladite portée avant du piston.
3. Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2 caractérisé en ce que ledit deuxième piston "récepteur" (7) est en grande partie creux avec sa tête fermée formant ladite extrémité avant du piston de surface plus importante et au moins un orifice transversal (24) reliant la partie intérieure ouverte vers l'arrière,' creuse, (22) du piston et la paroi externe de la jupe du piston en arrière de ladite portée avant (16, 17) du piston, laquelle paroi a une surface réduite (18) par rapport à celle de ladite portée avant du piston.
4. Dispositif selon les revendications 2 et 3 caractérisé en ce que ladite portée arrière de surface réduite (18) du piston "récepteur" (7) coulisse à l'intérieur de ladite première chambre (14) de confinement du fluide.
5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit piston "récepteur" (7) comprend à son extrémité avant formant portée de surface plus importante, une gorge (36) pour le logement d'un joint d'étanchéité torique adapté (1).
6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il est prévu en arrière de l'extrémité avant du piston "récepteur" (7) un joint racleur (21) adapté à l'usage du fluide élastomère de transmission de pression.
7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le piston "émetteur" (6) comporte à son extrémité avant une bague de guidage (28)en grande partie creusée de passages (29) derrière laquelle sont montés les joints d'étanchéité (30, 31).
8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le piston "émetteur" comprend à son extrémité arrière formant portée'de surface réduite une gorge (37) pour le logement d'un joint d'étanchéité torique adapté (31).
9. Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il est prévu en avant de l'extrémité arrière du piston "émetteur" (6) un joint racleur (30) adapté à l'usage du fluide élastomère de transmission de pression.
10. Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il est prévu dans le piston "émetteur" (6) un forage (33) fermé par un clapet (34, 35) pour le remplissage en fluide du volume de travail du dispositif.
11. Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le corps extérieur (12) du dispositif (1) est formé comme un cylindre unique dans lequel sont ménagées dans le même axe (15) lesdites deux chambres (13, 14). pour le déplacement parallèle du piston "émetteur" (6) et du piston "récepteur" (7).
12. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 10 caractérisé en ce qu'il est enfermé dans un corps dans lequel sont ménagées lesdites deux chambres qui ne sont pas dans le même axe et qui sont reliées par au moins un passage de communication pour le fluide.
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