FR2605676A1 - Outil a abrasifs ultradurs pour tete de creusement et procede de fabrication d'un tel outil - Google Patents

Outil a abrasifs ultradurs pour tete de creusement et procede de fabrication d'un tel outil Download PDF

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Abstract

L'OUTIL COMPORTE UN SUPPORT AYANT UN FUT 16 DE FIXATION SUR LA TETE ET UN EMBOUT PSEUDO-SPHERIQUE DE TRAVAIL. DES PIECES RAPPORTEES 24 SUR L'EMBOUT SONT REPARTIES ET COMPORTENT UNE PARTIE ACTIVE EN MATERIAU ULTRADUR EN SAILLIE HORS DE L'EMBOUT.

Description

Outil à abrasifs ultra-durs pour tete de creusement et
Procédé de fabrication d'un tel outil.
La présente invention concerne les outils destinés à équiper les têtes rotatives de creusement et notamment les têtes de rabotage de terrain des installations autonomes de forage de tunnel, dites "tunneliers".
On utilise couramment, pour percer des tunnels ou d'autres excavations de travaux publics dans des matériaux pulvérulents compactés ou liés, des installations autonomes qui permettent de forer un tunnel de grand diamètre, puis de constituer peu à peu le revêtement du tunnel en posant des blocs de béton armé préfabriqué ou en moulant in situ du béton par injections.
L'ensemble des appareils et auxiliaires nécessaire au fonctionnement autonome est porté par un train. A l'avant du train est placé une tête de creusement orientable, entraînée par des moteurs hydrauliques et permettant d'excaver le terrain.
On utilise divers types de tête de rabotage. La plupart comprennent un porte-outils rotatif en forme d'étoile dont les branches radiales portent, sur leur face avant, des outils orientés perpendiculairement au plan défini par les branches. La tête comprend de plus une lame centrale prenant appui sur deux branches de l'étoile, ayant une forme en arc de cercle, également équipée d'outils. Les outils disposés en saillie attaquent les constituants du sol lors de la rotation de 1 'étoile.
On utilise également, moins fréquemment, d'autres têtes de rabotage ayant une forme en bouclier constitué par un disque plein sur lequel sont implantés, perpendiculairement ou en oblique, des outils d'attaque du sol placés en saillie.
Actuellement, chaque outil est généralement constitué d'une première partie, cylindrique ou à section polygonale, destinée à être fixée sur une branche de l'étoile ou la lame centrale par des moyens classiques. Cette première partie peut par exemple être constituée par un fût dans lequel est ménagé un trou axial borgne taraudé. L'outil peut alors être fixé au porte-outil par une vis solidaire de ce dernier et s'engageant dans le trou. L'outil comprend une seconde partie, solidaire de la première, généralement en forme de cube dont les arêtes et les faces sont au contact du sol lors de la rotation de l'étoile. Ces outils sont en général en acier classique ou en acier rechargé en stellite. Les arêtes et les faces s'usent rapidement, et doivent donc être changées fréquemment ce qui implique à chaque fois l'arrêt de la tête de rabotage.
On a plus récemment proposé de constituer la seconde partie de l'outil, c'est-à-dire sa partie active, en carbure de tungstène. On n'augmente ainsi que de façon réduite la résistance à l'abrasion des outils.
Par ailleurs, on a déjà utilisé, dans la technique des forages, des composés abrasifs ultra-durs, constitués d'une masse de particules abrasives ultradures, telles que le diamant ou le nitrure de bore cubique dit CBN. Le composé abrasif est généralement réalisé sous forme d'une couche cristalline solidaire d'un support en un matériau dur tel que le carbure de tungstène. Le produit constitué du composé et de son support peut être brasé ou emmanché serré sur un outil.
Il peut également être fixé par pincement sur un outil d'usinage, ce mode de fixation étant généralement qualifié d'indexage. On pourra se reporter à la demande
FR-A-2 576 813 (85 01652) de la société demanderesse pour trouver une description d'un tel produit.
Le remplacement d'outils classiques en acier renforcé avec de la stellite par des produits utilisant un composé ultra-dur, augmente la durée de vie dans des proportions considérables, souvent par un facteur de cent. La productivité est en conséquence augmentée du fait de la réduction du nombre des arrêts nécessaires au changement des outils, qu'il s'agisse d'outils d'usinage ou d'outils de forage pétrolier tels que les trépans et couronnes.
Il faut remarquer que ces outils travaillent dans des conditions très différentes de celles des tunneliers où les outils sont portés par une tête rotative qui entraîne chaque outil dans un mouvement de translation suivant un cercle.
L'invention vise à fournir un outil pour tête rotative de creusement répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique notamment en ce qu'elle allonge la durée d'usure et, par voie de conséquence, l'intervalle entre changement des outils et réduit le nombre des arrêts de la tête.
Dans ce but l'invention propose notamment un outil destiné à être fixé sur une tête rotative de creusement, comportant un support ayant un fût de fixation sur la tête et un embout pseudo-sphérique de travail et des pièces rapportées fixées à l'embout, réparties sur ce dernier et comportant une partie active en matériau ultra-dur en saillie hors de l'embout. Le matériau ultra-dur sera généralement une concrétion à base de diamant ou de CBN. Pour des terrains relativement friables on pourrait utiliser du carbure de tungstène.
Le qualificatif "pseudo-sphérique" doit être interprété ici comme qualifiant un embout sensiblement de révolution et dont la génératrice se rapproche d'un segment de cercle ou présente une enveloppe se rapprochant d'un tel segment. Dans le second cas, l'embout peut notamment avoir une forme en troncs de cône successifs, d'angle au sommet diminuant à partir du fût, le cône le plus éloigné du fût pouvant être tronqué pour que l'outil présente une extrémité plate.
Le fût aura généralement une forme polygonale régulière, par exemple carrée. Ce fût se raccorde à l'embout par une zone de transition, de façon à éviter l'apparition de contraintes excessives.
Les pièces rapportées peuvent être soudées, emmanchées ou fixées de toute autre manière appropriée à l'embout. Elles sont avantageusement constituées d'éléments frittés dont la partie en saillie présente une couche superficielle formée par une masse frittée de particules de diamant ou de CBN directement liées entre elles sur un support en carbure de grande dureté, ou est constituée par une telle masse. Certaines des pièces rapportées (ou même toutes dans le cas d'un outil destiné à travailler en terrain ayant un caractère abrasif modéré) peuvent être en carbure de tungstène. Les pièces seront souvent réparties sur toute la surface de l'embout de travail. Les pièces comportant un support en carbure et une couche en matériau ultra-dur sont avantageusement du type couramment appelé "dôme" dans la technique du forage présentant une surface en saillie approximativement semi-sphérique.
Entre les pièces rapportée lorsqu'elles laissent subsister entre elles des zones importantes de l'embout, sont avantageusement placés des pions en carbure de tungstène affleurant la surface de l'embout et le protégeant contre l'érosion.
L'invention vise également à fournir un procédé de fabrication d'outil permettant de donner à ce dernier une résistance à l'érosion, aux chocs et à l'abrasion accrue. Selon ce procédé, après avoir percé dans l'embout de l'outil des logements de réception de pièces de coupe au moins partiellement en produit ultra-dur et éventuellement, entre les logements de réception desdites pièces, des logements de réception de pions de carbure de tungstène, on obture provisoirement les logements de réception desdites pièces, on revêt la surface de l'embout pour accroître sa protection contre l'usure puis on implante lesdites pièces.
Dans une variante de mise en oeuvre du procédé, le carbure de tungstène est projeté après implantation des pions en carbure sur l'embout, que ces pions soient destinés à etre utilisés en combinaison avec des pièces ultra-dures ou seuls. Le carbure de tungstène peut être projeté sur la surface pseudo-sphérique de l'embout par projection à la flamme ou être mis en place par imprégnation.
Enfin, dans une autre variante encore de réalisation, l'embout pseudo-sphérique de l'outil est constitué de carbure de tungstène rapporté sur le fût de l'outil, constitué en un autre matériau, tel que 1 'acier.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels
- la figure 1 est une vue de face montrant l'étoile d'une tête de forage susceptible de recevoir des outils suivant l'invention
- la figure 2 est une vue en élévation et en coupe partielle du fût et de l'embout d'un outil, encore démuni des pièces ou éléments rapportés
- la figure 3 est une vue en élévation de l'outil, suivant une direction à 45 de celle de la figure 2, en coupe partielle
- la figure 4, similaire à la figure 2, -montre l'outil équipé de pièces rapportées ou éléments de coupe
- la figure 5 est une vue de dessus de la figure 4, certaines seulement des pièces rapportées étant en place
- la figure 6, similaire à la figure 3, montre une variante de réalisation de l'outil, dont tous les logements sont prévus pour recevoir uniquement des éléments de coupe constitués en carbure de tungstène
- la figure 7 est une vue en élévation d'un outil constituant un autre mode de réalisation de l'invention
- la figure 8 est une représentation de l'outil de la figure 7 en coupe partielle suivant un plan passant par l'axe, l'outil étant représenté monté sur un porte outil
- la figure 9 est une vue de dessus de la figure 8
- la figure 10 est une vue en élévation d'un outil constituant une autre variante encore de réalisation vu dans une direction à 45- de celle de la figure 7.
La tête de tunnelier montré en figure 1 présente une constitution générale classique. Elle comporte un ensemble orientable qui peut être fabriqué par mécanosoudage. Cet ensemble comprend une étoile dont les branches rayonnantes 10 sont réunies par des poutres 12 de renfort et reçoivent des outils de forage 13. Ces outils sont démontables et font saillie, généralement dans une direction perpendiculaire au plan défini par les branches 10 de l'étoile. Cependant, les outils peuvent être implantés obliquement.
Deux des branches 10 sont réunies par une lame centrale 14, portant également des outils de rabotage.
L'outil représenté sur les figures 2 à 5 peut être regardé comme comprenant un support et des pièces de coupe rapportées. Le support présente un fût arrière 16 à section carrée, destiné à s'engager dans un passage de la branche 10 de l'étoile destinée à le recevoir et un embout 20 qui porte des pièces rapportées constituant la partie active de l'outil. Une zone de transition 18 est prévue au raccordement entre l'embout 20 et le fût 16. La base de cette zone affleure la branche 10 lorsque l'outil est en place. La longueur de la zone de transition et les courbures qu'elle présente sont choisies pour réduire les contraintes induites par les efforts latéraux lors du fonctionnement.
L'embout présente une forme pseudo-sphérique qui a l'avantage de permettre l'attaque du sol dans de bonnes conditions quel que soit le sens de rotation de l'étoile ou quelle que soit l'orientation qui a été donnée à l'outil 13 dans l'étoile lorsqu'il est mis en place.
Dans l'embout sont ménagés des logements de réception des pièces rapportées de coupe. Dans le mode de réalisation illustré sur les figures l'axe de ces logements coupe l'axe de l'outil et les logements sont de deux types différent.
Certains des logements (typiquement 10 à 25 mm), constitués par des trous borgnes 22 de grand diamètre, sont destinés à recevoir des éléments de coupe diamantés 24 (figures 4 et 5). Ces trous 22 sont prévus, dans le mode de réalisation illustré
- dans une troncature terminale de l'embout
- sur une première portion tronconique 26, sous forme d'une couronne de 4 trous ; et
- dans une seconde zone tronconique 28, sous forme d'une couronne de 8 trous disposés en quinconce.
Chacun des éléments rapportés diamantés se présente sous forme d'un support ayant une paroi latérale approximativement cylindrique, terminée par une portion revêtue d'une couche polycristalline à surface sensiblement hémisphérique constituée de grains de diamant directement en liaison entre eux et liés au support. Bien qu'en général la forme semi-sphérique soit celle qui donne les meilleurs résultats, on pourrait utiliser également des éléments rapportés présentant une partie terminale active en forme de tronc de cône ou même cylindrique.
Dans l'embout 20 sont également ménagés des logements 30 de réception de pions 32 de carbure de tungstène. Dans le mode de réalisation illustré en figures 2 à 5, les logements destinés aux pions de carbure ont un diamètre beaucoup plus réduit que les autres par exemple 4 à 20 mm. Les pions de carbure ont une dimension telle qu'ils affleurent la surface de l'embout lorsque ce dernier est neuf. Etant situés entre les éléments de coupe diamantés, ils assurent la protection de la surface de 1 'embout.
L'outil 13 montré sur les figures 2 à 5 est muni de moyens de fixation constitués par un trou borgne taraudé 34 dans le fond du fût 16. D'autres modes de fixation seraient évidemment possibles.
Les figures 2 à 5 montrent un outil qui porte treize éléments de coupe diamantés et huit pions 32 de carbure de tungstène. Ni ce nombre, ni la disposition représentés ne sont impératifs. Dans le cas où les terrains à forer sont durs et abrasifs et provoquent une usure rapide (sable compactés, grès) on sera amené à utiliser des éléments rapportés ayant une partie active ultra-dure répartis sur toute la surface de l'embout 20.
Ce nombre peut être réduit dans le cas de terrains moins durs. A la limite, la partie active peut porter des éléments rapportés en carbure de tungstène. La figure 6 montre, à titre d'exemple, un outil présentant un support 16 identique à celui de la figure 2, mais percé uniquement de logements 30 de réception de pièces rapportées en carbure de tungstène 32.
Un tel outil sera par exemple utilisé dans des terrains de faible dureté, par exemple argileux.
L'outil montré en figures 7, 8 et 9 (où les éléments déjà représentés portent le même numéro de référence) constitue encore un autre mode de réalisation de l'invention. Il a une constitution générale similaire à celle de l'outil des figures 1 à 5. Mais les logements 30 de réception des pions 32 en carbure de tungstène ont le même diamètre que les logements 22 de réception des éléments rapportés 24 présentant une partie active ultra-dure. Le fait d'usiner des logements 22 et 30 de même diamètre permet de disposer d'un nombre de variantes important en ce qui concerne la répartition entre dômes 24 et pions 32.
Le support 16 de l'outil montré en figures 7 à 9 présente un épaulement 36, situé à la base de la zone de transition, d'appui d'une plaque 38 présentant des périmètres internes et externes carrés. La plaque 38 permet d'augmenter la portée de l'outil sur la branche 10 de l'étoile et de répartir davantage les efforts de poussée. La plaque participe en outre au maintien de l'outil et protège la surface de la branche 10 autour du trou de réception de l'outil 13. L'outil 13 peut être monté sur une branche 10 d'étoile par pincement de cette dernière entre la plaque 14 et une rondelle épaisse 40 appliquée par une vis 42 contre l'arrière de la branche, comme indiqué sur la figure 8.
La variante de réalisation montrée en figure 10, où les éléments correspondant à ceux déjà décrits portent encore le même numéro de référence, est prévue pour que l'action d'érosion de l'outil s'effectue à la périphérie de l'embout plutôt qu'à la partie terminale. Pour cette raison, les éléments rapportés coupe à partie active ultra-dure 24 sont répartis sous forme d'une seule couronne sur le tronc de cône 26 et l'extrémité de l'outil porte simplement un pion 32 en carbure de tungstène de protection contre l'abrasion.
Les étapes successives de fabrication d'un outil 13 du genre montré en figures 2 à 5 peuvent être les suivantes. On commence par réaliser le support par usinage d'un bloc d'acier. Puis on perce les logements de réception des pièces rapportées. Les pions de carbure de tungstène 32 sont ensuite emmanchés à force dans leur logement. On place des obturateurs provisoires (non représentés) dans les logements 22 de façon à les protéger puis on revêt l'embout de carbure de tungstène par projection à la flamme. Les logements 22 étant protégés ce revêtement leur laisse leurs dimensions d'origine. Les obturateurs sont enlevés, puis les éléments rapportés 24, tels que des dômes, comportant un revêtement en matériau ultra-dur sont fixés, par exemple par emmanchement à force.
De nombreuses variantes de réalisation sont évidemment possibles. En particulier, les pions de carbure 32 et/ou les dômes 24 peuvent être fixés par brasage.
Le revêtement de carbure de tungstène pulvérulant déposé par projection à la flamme permet de protéger l'ensemble de la surface de l'embout contre l'abrasion. Cette protection complète celle assurée par les pions de carbure de tungstène, qui peuvent se présenter sous forme de disques ayant une épaisseur de 3,5 mm.
Dans une variante de réalisation de l'invention, l'embout 20 est constitué en carbure de tungstène et il est rapporté sur le fût 16, par exemple par brasage.
L'invention ne se limite évidemment pas aux modes particuliers de réalisation qui ont été décrits à titre d'exemple. La forme de l'embout, les angles d'attaque, le nombre et la nature des pièces rapportées peuvent être changés pour être adaptés à chaque terrain particulier. Dans tous les cas, l'utilisation de diamanpolycristallin ou de CBN augmente considérablement la longévité de l'outillage ; l'utilisation de dômes assure de plus une bonne réversibilité de l'outil et lui confère une grande résistance ; du fait que les zones ultra-dures des pièces rapportées sont en saillie, la pression locale exercée sur le sol par l'outil est plus importante, pour une force d'application donnée, que dans le cas d'un outil présentant des arêtes de coupe classiques.

Claims (11)

REVENDICATIONS
1. Outil pour tête (1) de creusement, caractérisé en ce qu'il comporte un support ayant un fût (16) de fixation sur la tête et un embout (20) pseudo-sphérique de travail et des pièces rapportées (24,32) fixées à l'embout, réparties sur ce dernier et comportant une partie active en matériau ultra-dur en saillie hors de l'embout.
2. Outil selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'embout a une forme en troncs de cône successifs (26,28) d'angles au sommet diminuant à partir du fût, le cône le plus éloigné du fût pouvant être tronqué pour que l'outil présente une extrémité plate.
3. Outil selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le fût a une forme polygonale régulière raccordée à l'embout par une zone de transition (18).
4. Outil selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que certaines au moins des pièces rapportées sont constituées d'éléments frittés dont la partie en saillie présente une couche superficielle de particules de diamant ou de CBN directement liées entre elles et sur un support en carbure de tungstène ou dont la partie en saillie est constituée par une telle masse.
5. Outil selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite partie en saillie présente une forme hémisphérique.
6. Outil selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que entre lesdites pièces rapportées sont placées des pions (32) de carbure de tungstène affleurant la surface de l'embout et protégeant ce dernier contre l'érosion.
7. Outil selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les pièces rapportées et les pions éventuels sont répartis sur toute la surface de l'embout.
8. Outil selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'embout (20) comporte une couche superficielle de carbure de tungstène ou est constitué de carbure de tungstène.
9. Procédé de fabrication d'outil selon la revendication 8, caractérisé en ce que, après avoir percé dans l'embout de l'outil des logements (22) de réception de pièces rapportées (24) au moins partiellement en produit ultra-dur et éventuellement, entre lesdits logements de réception, des logements supplémentaires (30) de réception de pions de protection de carbure de tungstène (32), on obture provisoirement les logements de réception desdites pièces, et on revêt la surface de l'embout pour accroître la protection contre l'usure avant d'implanter lesdites pièces.
10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'on revêt la surface de l'embout par projection à la flamme ou par imprégnation de carbure de tungstène.
11. Procédé selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce qu'on revêt la surface de l'embout de carbure de tungstène après implantation de pions en carbure de tungstène.
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