WO2007134989A1 - Dispositif et methode de percage de produits en caoutchouc - Google Patents

Abstract

Emporte-pièce rotatif (T) comprenant une tête cylindrique (10) à section circulaire dont l'extrémité libre (11) est susceptible d'être saisie par un moyen apte à entraîner ledit emporte-pièce en rotation, un tube cylindrique (20) de section circulaire, solidaire de l'extrémité intérieure (12) de la tête (10), et se terminant par une arête tranchante (21), caractérisé en ce que la tête (10) de l'emporte-pièce comporte au moins un conduit (13) permettant d'amener un fluide sous pression à l'intérieur du tube (20) au niveau de l'extrémité intérieure (12) de la tête (10). L'arête tranchante es formée par un biseautage (22) de la paroi extérieure du tube cylindrique. Le rapport entre la longueur (L) et le diamètre (D) est compris entre 20 et 40 et ladite paroi a une épaisseur (e) inférieure ou égale à √D/3 où D représente le diamètre intérieur du tube cylindrique.

Description

DISPOSITIF ET METHODE DE PERÇAGE DE PRODUITS EN CAOUTCHOUC

[001] L'invention concerne un dispositif et une méthode de perçage de produits en caoutchouc. Plus particulièrement l'invention concerne un emporte-pièce destiné à réaliser des trous débouchant, dans une matière caoutchoutique vulcanisée.

[002] Le problème se pose pour la réalisation de trous dont la longueur par rapport au diamètre est relativement grande, et lorsque l'on désire réaliser un perçage traversant de part en part une épaisseur donnée de caoutchouc.

[003] Cette situation se produit, par exemple, lorsque l'on souhaite réaliser une pluralité de trous, dans une direction généralement axiale, dans les éléments de la sculpture d'un pneumatique, dans le but de conférer audit pneumatique des propriétés particulières dans la zone de la bande de roulement, comme cela est illustré sur les figures 3 et 4. Ces autres trous permettent entre autre d'améliorer l'adhérence des pains de gomme en fin d'usure comme cela a été exposé à titre d'exemple dans la publication WO 2003 097384.

[004] Une solution connue, telle qu'illustrée à la figure 1, consiste à utiliser un emporte- pièce rotatif composé d'une tête en acier constituée d'un barreau cylindrique à section circulaire dont la partie supérieure permet de fixer l'emporte-pièce rotatif de façon qu'il puisse être entraîné en rotation, par exemple dans le mors d'une perceuse.

[005] La partie inférieure de la tête se prolonge par un tube creux cylindrique de section circulaire, dont l'extrémité inférieure est affûtée suivant un tranchant disposé dans un plan perpendiculaire à l'axe longitudinal de rotation de l'outil.

[006] Une première amélioration apportée à cet emporte-pièce rotatif consiste à tailler en biseau la partie inférieure de la tête, et à pratiquer une échancrure dans le tube, de manière à faciliter l'évacuation de la matière enlevée par le travail de l'outil et communément désignée sous le nom de carotte. [007] Une autre amélioration, décrite dans la publication FR 2 483 844, consiste à pratiquer sur la face externe du tube des rainures hélicoïdales, dont le fond présente des trous traversant faisant communiquer la face externe du tube avec sa face interne. Ce dispositif permet de faire circuler un fluide de lubrification le long des faces externes et internes du tube afin de réduire les échauffements de l'outil pendant l'opération de perçage.

[008] Toutefois, l'utilisation de ces types d'emporte-pièce, s'avère mal adaptée pour la réalisation de trous débouchant, traversant de part en part une épaisseur donnée de matière en caoutchouc. En particulier, lorsque l'on désire effectuer des trous de faible diamètre sur une grande longueur. On entend par trou de faible diamètre et de grande longueur un trou dans lequel le rapport de la longueur sur le diamètre est supérieur à 20.

[009] En effet, dans ces conditions d'utilisation particulières, on observe que sous l'effet des contraintes élastiques, la carotte formée par la découpe se bloque à l'intérieur du tube de l'emporte pièce d'une part, et que la paroi externe de l'emporte pièce est soumise à de forte contraintes du fait de la matière qui l'enserre d'autre part. Ces deux phénomènes entraînent un échauffement anormal du matériau, ce qui peut conduire à la dégradation des interfaces par distillation et au blocage de l'emporte pièce dans le trou de perçage voire à la rupture de l'emporte pièce lui-même.

[010] L'objet de l'invention est d'apporter une solution à ce problème de perçage de trous de faible diamètre et de grande longueur dans un matériau caoutchoutique. Pour ce faire, il a été mis en évidence de manière expérimentale, qu'il était possible de réaliser de tels perçages, sous réserve de déterminer de manière précise la forme et les dimensions de l'emporte pièce et d'utiliser cet outillage dans des conditions bien déterminées.

[011] L'emporte-pièce rotatif selon l'invention comprend une tête cylindrique de section circulaire, dont l'extrémité libre est apte à être saisie par un moyen destiné à entraîner ledit emporte-pièce en rotation, et d'un tube cylindrique de section circulaire, solidaire de l'extrémité inférieure de la tête dont le rapport entre la longueur et le diamètre est compris entre 20 et 40. Cet emporte pièce se caractérise en ce que le tube se termine par une arête tranchante formée par un biseautage de la paroi extérieur du tube et en ce que ladite paroi a une épaisseur e inférieure ou égale à -JD/3 OÙ D est la valeur du diamètre intérieur du tube cylindrique. [012] La forme du biseau formant l'arête tranchante permet de réaliser une carotte dont le diamètre est au plus égal au diamètre intérieur du tube cylindrique. Comme on le verra par la suite, cette caractéristique s'avère de premier ordre si on désire éviter un échauffement intempestif de la carotte pendant le perçage et si on veut pouvoir extraire ladite carotte de l'intérieur du tube lorsque le perçage est terminé.

[013] D'autre part, on cherchera à avoir une épaisseur de la paroi du tube la plus faible possible de manière à ce que la pression exercée par le matériau sur la paroi externe du tube soit aussi réduite que possible. On observe en effet que plus l'épaisseur de la paroi du tube est élevée, plus il est nécessaire de comprimer le matériau pour permettre la progression de l'emporte pièce dans l'épaisseur du matériau à percer. Cette compression est la source d'un frottement intense qui entraîne également réchauffement du matériau.

[014] La méthode de perçage selon l'invention, qui met en œuvre un emporte pièce rotatif tel que décrit ci-dessus, se caractérise en ce que le rapport entre la vitesse de l'avance de l'emporte pièce dans la direction axiale et la vitesse circonférentielle au niveau de l'arête tranchante est compris entre 0,02 et 0,2 et préférentiellement entre 0,03 et 0,15 ; la vitesse circonférentielle au niveau de l'arête tranchante se déduisant aisément de la valeur du rayon et de la vitesse de rotation de l'emporte pièce rotatif.

[015] On observe en effet que ce rapport de vitesse est significatif de la mise en compression du matériau par l'arête tranchante. L'avance de l'emporte pièce a pour effet de comprimer le matériau situé sous l'arête tranchante. En ce faisant on met en extension le matériau situé au dessus de ladite arête tranchante. Ceci a pour effet de réduire le diamètre de la carotte au moment de la coupe, ce qui permet d'obtenir une carotte dont le diamètre est très légèrement inférieur au diamètre intérieur du tube cylindrique. Il en résulte une diminution des frottements de la carotte sur la surface intérieure du tube cylindrique et une plus grande facilité pour extraire ladite carotte lorsque le perçage est terminé.

[016] Ainsi, les effets combinés de la conception de l'emporte pièce et de la mise en œuvre de cet outillage permet de réaliser des trous de grande longueur et de faible diamètre dans des conditions industrielles et sans dégrader le matériau. [017] La description qui suit s'appuie sur les figures 1 à 5 et permet d'illustrer un mode de réalisation préférentiel de l'invention dans lesquelles, la figure 1 représente une vue schématique d'un emporte-pièce selon l'invention La figure 2 représente une vue de détail de l'arête tranchante lorsque l'emporte pièce est mis en oeuvre selon la méthode selon l'invention la figure 3 représente une vue schématique d'un emporte-pièce selon l'invention et les médaillons 2a et 2b représentent des modes de réalisation différents de l'arête coupante,

Les figures 4 et 5 représentent des vues schématiques d'un pneumatique comportant des perforations sensiblement axiales, débouchant dans les éléments de sculpture situés dans la zone de l'épaule.

[018] En référence à ce qui a été dit plus haut, la figure 1 représente une vue en coupe d'un emporte-pièce selon l'invention dans laquelle on distingue une tête 10 solidaire d'un tube creux 20 dont l'extrémité libre comporte une arête tranchante 21. Le rapport entre la longueur (L) du tube et le diamètre intérieur (D) dudit tube est compris entre 20 et 40.

L'épaisseur (e) du tube creux 21 est inférieure ày/D/3 . Le biseau 22 de l'arête est réalisé de l'extérieur du tube vers l'intérieur du tube de manière à ce que le diamètre de l'arête tranchante soit égal au diamètre intérieur du tube creux.

[019] En pratique, le diamètre des trous à réaliser, et par voie de conséquence le diamètre (D) intérieur de l'emporte pièce peut varier de lmm à 10mm voire au-delà dans le cas de pneumatiques de très grande dimensions. La longueur des canaux varie quant à elle de 20mm à 400mm et l'épaisseur maximale (e) de la paroi du tube pour laquelle des résultas acceptables ont été obtenus varie de 0,5 mm à 1,8 mm

[020] Pour des raisons liées à sa durée de vie industrielle, on choisira de préférence de réaliser l'emporte pièce dans un matériau résistant à l'usure, tel qu'un carbure de tungstène.

[021] La figure 2 permet de mettre en évidence ce qui se passe lorsque l'emporte pièce rotatif est utilisé selon la méthode revendiquée.

[022] On observe que l'action de l'emporte pièce ne crée pas de déchets à évacuer du fait que le matériau est découpé par l'arête tranchante. En s'enfonçant dans le matériau à découper, la paroi externe de l'emporte pièce vient comprimer transversalement le matériau en lui faisant subir un déplacement égal à l'épaisseur (e) de la paroi du tube creux 20 comme cela est visualisé par les flèches en direction de la paroi extérieure.

[023] Aussi, plus l'épaisseur de la paroi du tube est faible, moins les effets exercés sur la paroi du tube sont importants, et moins les frottements entre la paroi extérieure et le matériau sont élevés. Il a été mis en évidence qu'il est possible d'obtenir de bons résultats lorsque ladite paroi a une épaisseur inférieure (e) inférieure ou égale à 1 mm, en considérant que, si on peut souhaiter réduire cette épaisseur, on se heurte aux limites imposées par la résistance mécanique de l'emporte pièce.

[024] Lorsque le rapport de la vitesse d'avance de l'emporte pièce et de la vitesse circonférentielle de l'arête est dans les limites revendiquées ci-dessus, l'arête tranchante met en compression la partie du matériau (a) qui n'a pas été découpée et située en dessous de ladite arête tranchante. Ceci a pour effet de mettre en extension la partie (b) du matériau qui n'a pas encore été tranchée et située immédiatement au-dessus de la partie (a). Il en résulte une mise en compression dans la direction perpendiculaire à l'axe de l'emporte pièce de la partie (b) du matériau situé à l'intérieur du tube, ce qui entraîne une diminution du diamètre de la carotte juste avant la coupe. Une fois la coupe effectuée, la contrainte transversale se relâche, et la carotte reste à un diamètre (d) légèrement inférieur au diamètre intérieur (D) du tube. Il s'en suit que les frottements entre la carotte et la partie intérieure du tube creux 20 sont réduits et que d'autre part l'extraction de la carotte C en fin de cycle est grandement facilitée.

[025] En augmentant le rapport des vitesses au delà d'une valeur de 0,15 on augmente la mise en compression du matériau ce qui peut s'avérer favorable en un sens compte tenu de ce qui a été décrit ci-dessus, mais on observe alors une très forte tendance à réchauffement de l'outillage et du matériau à percer qui provoque une dégradation dudit matériau. Lorsque la valeur du rapport diminue en dessous du seuil expérimental de 0,03, l'effet de compression est alors trop faible pour que l'on puisse obtenir une carotte dont le diamètre est suffisamment réduit de sorte que les effets décrits au paragraphe précédent soient significatifs.

[026] A titre d'exemple, on obtient de bons résultats pour un diamètre intérieur (d) de 6 mm et une vitesse de rotation de l'emporte pièce de 600 tr/min, l'avance est réglée à 2400 mm/min ce qui donne un rapport des vitesses de 0,1. Pour un diamètre intérieur (d) de 2 mm et une vitesse de rotation de 1400 tr/min, l'avance est de 600 mm/min, ce qui donne alors un rapport des vitesses de 0, 034.

[027] Les valeurs limites ont été déterminées expérimentalement et sont significatives de la plage préférentielle de fonctionnement. Il est néanmoins vraisemblable qu'une plage de valeurs plus étendue de 0,0,2 à 0,2 puisse également donner des résultats acceptables, en particulier lorsque les caractéristiques élastique du matériau à percer varient.

[028] En fin de cycle de coupe, il convient d'éjecter la carotte avant de retirer l'emporte pièce du trou fraîchement réalisé. Aussi, il s'avère particulièrement intéressant de placer un conduit permettant d'amener un fluide sous pression à l'intérieur du tube au niveau de l'extrémité intérieure de la tête.

[029] Une fois le perçage réalisé, et après que la partie tranchante de l'emporte pièce ait traversé le bloc de caoutchouc de part en part, on injecte ledit fluide par le conduit, et on crée une surpression à l'intérieur du tube dans la chambre comprise entre la carotte et la tête de l'emporte-pièce, ce qui a pour effet de propulser la carotte par l'extrémité ouverte du tube située du coté où se trouve l'arête tranchante, et qui débouche à cet instant de l'autre coté de la paroi de l'épaisseur de matériau qui vient d'être percée.

[030] Une fois la carotte éjectée, il est alors possible de retirer l'outil en toute sécurité sans courir le risque de voir la carotte retenue dans l'orifice que l'on vient de percer.

[031] De plus, l'éjection de la carotte est quasi instantanée ce qui permet de réduire le temps de cycle du perçage.

[032] L'emporte-pièce selon l'invention, représenté à la figure 3, comprend une tête cylindrique 10 à section circulaire. L'extrémité libre 11 est susceptible d'être saisie par un moyen apte à l'entraîner en rotation, tel que par exemple le mors d'une perceuse ou un mandrin d'outil à usiner, dans lequel l'emporte-pièce peut être tenu par serrage ou par vissage. Un conduit 13 chemine depuis l'extérieur de la tête de l'emporte-pièce et débouche à l'intérieur du tube au niveau de l'extrémité inférieure 12 de la tête 10.

[033] L'alimentation en fluide sous pression se fait par le canal 13 à l'aide de moyens connus, tels qu'une bague à joint tournant, placée directement sur la tête de l'emporte-pièce au niveau de l'entrée du canal 13 ou encore par une pièce intermédiaire placée au niveau du mors d'entraînement.

[034] Le fluide utilisé peut être liquide ou gazeux. L'injection d'air sous pression présente l'avantage de la facilité d'exploitation, et bien que l'injection d'eau sous pression puisse s'avérer plus délicate, l'utilisation de ce fluide présente l'avantage de permettre une lubrification de la paroi intérieure de l'emporte-pièce et d'évacuer les calories en vue de la séquence de perçage suivante.

[035] Aussi, une solution particulièrement avantageuse consiste à injecter de l'air contenant des microgouttelettes de liquide lubrifiant dans le but de favoriser le glissement des parois de l'outil sur le caoutchouc. A titre d'exemple, le lubrifiant peut être de l'eau contenant du silicone en suspension.

[036] II peut également s'avérer intéressant de poursuivre l'injection du fluide pendant toute la durée d'extraction de l'outil du trou. Cet apport de fluide supplémentaire permet de refroidir tout à la fois les parois de l'emporte pièce et les parois du trou ce qui évite de provoquer une dénaturation des matériaux caoutchoutiques liée à un échauffement excessif.

[037] Lorsque réchauffement est particulièrement intense, il est recommandé de lubrifier également, de manière conventionnelle, la paroi extérieure de l'emporte pièce avant qu'elle ne pénètre dans le cœur du matériau à percer.

[038] En mesurant la pression d'injection du fluide dans l'emporte pièce on est en mesure de détecter la variation de pression qui intervient lorsque la carotte est éjectée du tube. La diminution brutale de pression qui s'en suit permet de déterminer que l'éjection a bien eu lieu, et de garantir que la carotte a bien été extraite du trou. Ce contrôle, simple à réaliser, s'avère particulièrement utile dans le cadre du suivi de la fabrication.

[039] Le pilotage des différentes séquences du procédé de perçage peut être réalisé à l'aide de moyens connus dans lesquels il est possible de programmer les séquences d'animation de la broche de perçage par rapport au matériau à percer.

[040] L'arête tranchante 21 peut avoir une forme rectiligne, sensiblement située dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation de l'emporte-pièce ou, comme cela est représenté sur les médaillons 3a et 3b, une forme en dent de scies ou encore une forme ondulée de manière à améliorer la qualité et l'efficacité de la coupe.

[041] Une forme en dent de scie est particulièrement avantageuse pour favoriser la découpe de la matière lorsque l'outil se rapproche de la paroi de l'autre extrémité du volume de matière à percer.

[042] Enfin, de manière à éviter l'arrachement de la paroi en fin de perçage il est recommandé de réduire la vitesse de l'avance de l'emporte pièce.

[043] Les figures 4 et 5 montrent un pneumatique P dans lequel des trous B ont été percés sensiblement axialement dans les éléments de sculpture de la bande de roulement au niveau de la zone épaule.

[044] II est également tout à fait envisageable de percer les éléments de sculpture sur toute la largeur de la bande de roulement en prévoyant un emporte-pièce de longueur appropriée. Dans cette configuration, on procède à l'éjection des carottes à chaque franchissement d'un sillon circonférentiel de manière à garantir, comme cela a été évoqué ci-dessus, que tous les éléments de sculpture ont bien été percés de part en part.

[045] Pour la réalisation d'une grande quantité de trous, il s'avère particulièrement avantageux de faire fonctionner simultanément une pluralité d'emporte-pièce conformes à l'invention.

[046] Ces emporte-pièce sont disposés sur un châssis commun et sont arrangés de telle sorte que les axes de rotation soient sensiblement orientés dans la direction axiale, et que les arêtes tranchantes soient disposées sur un cercle situé dans un plan perpendiculaire aux axes de rotation.

[047] Toutefois, les axes des emporte-pièce peuvent avoir un faible écart angulaire avec la direction axiale du pneumatique, pour tenir compte de la courbure transversale de la sculpture.

[048] Le rayon du cercle est adapté aux dimensions du pneumatique et au rayon de perçage et peut être ajustable si nécessaire, moyennant l'adaptation de la mécanique et des automatismes de pilotage. [049] L'outil comprenant les emporte-pièce est présenté axialement face aux épaules du pneumatique et les trous sont réalisés en une seule passe selon le mode opératoire décrit ci- dessus.

[050] Le nombre d'emporte-pièce disposés de cette manière correspond en principe au nombre de trous B à réaliser. Si toutefois le nombre de trous à réaliser est important ou si l'encombrement des emporte-pièce ne permet pas de disposer un nombre d'emporte-pièce correspondant au nombre de trous, il est possible d'utiliser un nombre d'emporte-pièce correspondant à une fraction entière du nombre de trous à réaliser.

[051] Dans ces conditions le perçage de l'ensemble des trous se fait en plusieurs passes, en faisant subir au pneumatique, entre chaque passe, une rotation axiale relative par rapport au dispositif de perçage, de la valeur correspondant à l'écart angulaire entre deux trous consécutifs.

Claims

REVENDICATIONS

1) Emporte-pièce rotatif (T) comprenant une tête cylindrique (10) de section circulaire dont l'extrémité libre (11) est apte être saisie par un moyen destiné à entraîner ledit emporte-pièce en rotation, et un tube cylindrique (20) de section circulaire, solidaire de l'extrémité inférieure (12) de la tête (10) dont le rapport entre la longueur (L) et le diamètre (D) est compris entre 20 et 40, caractérisé en ce que :

- le tube se termine par une arête tranchante (21) formée par un biseautage (22) de la paroi extérieure du tube cylindrique (20) et,

- ladite paroi a une épaisseur (e) inférieure ou égale à Λ[D H> , où D représente le diamètre intérieur du tube cylindrique (20).

2) Emporte pièce selon la revendication 1 dans lequel la tête (10) de l'emporte-pièce comporte un conduit (13) permettant d'amener un fluide sous pression à l'intérieur du tube (20) au niveau de l'extrémité intérieure (12) de la tête (10).

3) Emporte-pièce selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel l'arête tranchante (21a) a une forme en dent de scies.

4) Dispositif de perçage comprenant une pluralité d'emporte-pièce (T) selon l'une des revendications précédentes, arrangés de telle sorte que les axes de rotation soient sensiblement parallèles entre eux et que les arêtes tranchantes soient disposées sur un cercle situé dans un plan, perpendiculaire aux axes de rotation.

5) Méthode de perçage de part en part d'une épaisseur donnée de matériau en caoutchouc, dans laquelle on utilise un emporte-pièce rotatif (T) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le rapport entre la vitesse de l'avance de l'emporte pièce dans la direction axiale et la vitesse circonférentielle au niveau de l'arête tranchante est compris entre 0,02 et 0,2. 6) Méthode de perçage selon la revendication 5 dans laquelle le rapport entre la vitesse de l'avance de l'emporte pièce dans la direction axiale et la vitesse circonférentielle au niveau de l'arête tranchante est compris entre 0,03 et 0,15.

7) Méthode de perçage selon la revendication 5 ou 6 dans laquelle on éjecte la carotte (C) contenue dans le tube (20) de l'emporte-pièce (T) en amenant en surpression un fluide dans la chambre située à l'intérieur du tube entre l'extrémité intérieure (12) de la tête (10) et la carotte (C).

8) Méthode de perçage selon la revendication 7, dans laquelle on amène le fluide en surpression immédiatement après que la partie tranchante (21, 21a, 21b) ait débouché de l'autre coté de l'épaisseur du produit à percer.

9) Méthode de perçage selon l'une des revendications 7 ou 8, dans laquelle on retire l'emporte-pièce du trou après avoir éjecté la carotte.

10) Méthode de perçage selon la revendication 9 dans laquelle on continue à injecter du fluide pendant le retrait de l'emporte-pièce du trou.

11) Méthode de perçage selon l'une des revendications 7 à 10, dans laquelle le fluide injecté est de l'air sous pression.

12) Méthode de perçage selon l'une des revendications 7 à 10, dans laquelle le fluide injecté est de l'eau sous pression.

13) Méthode de perçage selon l'une des revendications 7 à 10 dans laquelle le fluide injecté est de l'air mélangé à des micro-gouttes d'un liquide lubrifiant.

14) Méthode de perçage selon la revendication 13 dans laquelle le liquide lubrifiant est de l'eau mélangée à du silicone en suspension.

15) Application de la méthode selon l'un des revendications 5 à 14, pour le perçage de trous, selon une direction sensiblement axiale, dans les éléments de sculpture d'un pneumatique.