Domaine technique

[0001] La présente invention concerne des broches à paliers

aérodynamiques et aérostatiques sans contact, à ultra haute vitesse de rotation.

Etat de la technique [0002] Il existe des besoins en perçage mécanique de diamètres de plus en plus petits. C'est notamment le cas dans le domaine des circuits imprimés, du fait de la miniaturisation des substrats, ou encore pour le perçage en masse des trous de diamètre inférieur à 100 micromètres. En théorie, pour un perçage optimal, la vitesse de rotation de la broche devrait être d'environ 800 ktpm (800 000 tours par minutes). Les avantages d'une grande vitesse de rotation sont multiples, à savoir en particulier : l'augmentation de la productivité par l'augmentation de la durée de vie des outils et donc de la réduction de la consommation du nombre d'outils par an, soit aussi la réduction de coûts. [0003] Pour atteindre ces ultra-hautes vitesses de rotation, le recours à d'autres technologies de paliers que ceux usuels est nécessaire.

[0004] La solution fournie par les paliers à gaz sans contact permet d'avoir très peu de dissipation. Cependant, le problème d'instabilité demeure sous certaines conditions et à partir de certaines vitesses. [0005] La solution fournie par les paliers aérodynamiques à gorges en chevrons utilisés depuis plusieurs décades est l'une des solutions les plus performantes et prometteuses pour les broches ultra-hautes vitesses. En effet, depuis quelques années, des applications dans le domaine de l'énergie, la micro-énergie (mini et micro-compresseurs de pompes à chaleur, piles à combustibles, mini-turbines à gaz), et du médical démontrent l'intérêt de ces paliers pour des rotors de petites dimensions destinés à tourner à des ultrahautes vitesses (jusqu'à 1 .2 Mtpm). Cependant des complications liées à la géométrie ont été rencontrées. [0006] Une solution combinant un palier cylindrique et un palier conique pour reprendre des charges radiales et des charges axiales, permet d'avoir une configuration compacte. Cependant le positionnement et la cinématique du rotor dans le palier conique dépendent fortement des tolérances d'usinage du palier. L'usinage est donc plus complexe et plus coûteux.

[0007] Par exemple les documents FR1347907 et F 12I présentent des paliers associant un palier radial et un palier conique. Cependant les roulements à bille semblent incompatibles avec des ultra hautes vitesses. Avec ces systèmes les problèmes de stabilité de l'arbre et de contrainte dynamique sont souvent rencontrés.

[0008] Le document DE4401262 décrit un palier pour moteur avec des surfaces de formes toriques. Ce document ne décrit pas de broche complète. Une broche comporte typiquement deux paliers. L'utilisation de deux paliers de ce type résulte cependant en un système hyperstatique, c'est-à-dire un système dans lequel la position axiale du rotor dépend de chacun des deux paliers.

[0009] Le document GB1036659 décrit un moteur électrique comprenant un arbre rotatif et deux paliers à gaz. La surface externe de la portion d'arbre dans les deux paliers est en forme de meule (portion de sphère). Ce système est donc également hyperstatique. Il n'est pas destiné à une broche.

[0010] Le document W09846894 décrit un palier à air rotatif pourvu d'un axe présentant deux surfaces coniques évasées vers l'extérieur et placées à l'opposé d'un tourillon. Cependant, les surfaces coniques ne sont pas adjacentes. Le palier est à nouveau hyperstatique, puisque chacune des deux surfaces coniques éloignées l'une de l'autre détermine la position axiale du rotor. Des déformations de la portion d'axe entre les deux surfaces coniques, par exemple en cas de dilatation, de flexion, etc, entraînent donc une erreur de positionnement des surfaces de contact coniques.

Bref résumé de l'invention [0011] Un but de la présente invention est de proposer une broche à paliers sans contact associant au moins deux paliers ayant un fonctionnement hybride aérodynamique et aérostatique exempt des limitations connues.

[0012] Un but est aussi d'éviter les problèmes liés à l'hyperstatisme dans une broche, notamment l'hyperstatisme axial.

[0013] Selon l'invention, ces buts sont atteints notamment au moyen d'une broche à palier ultra-haute vitesse hybride aérostatique et aérodynamique, comprenant au moins deux paliers et un arbre rotatif monté dans les dits paliers, dans laquelle le premier palier est biconique, constitué de deux demi-coussinets de surfaces tronconiques adjacentes et d'une portion d'arbre biconique formée de deux parties tronconiques et adjacentes, le deuxième palier (3) étant un palier radial..

[0014] Cette solution hybride aérostatique et aérodynamique a l'avantage de permettre le démarrage sans contact de la broche à partir d'une vitesse de rotation nulle, donnant aussi la possibilité de contrôler les conditions de fonctionnement au moyen de la pressurisation aérostatique.

[0015] Le premier palier biconique permet de positionner l'axe à la fois radialement et axialement. Le deuxième palier radial permet uniquement de positionner l'axe dans la direction radiale, sans le bloquer axialement. On évite ainsi les problèmes d'hyperstatisme axial : la position axiale de l'arbre est déterminée uniquement par les deux surfaces biconiques adjacentes et donc peu susceptibles de se déplacer l'une par rapport à l'autre.

[0016] Les demi-coussinets adjacents permettent de diminuer les effets de dissipation et de régler axialement et radialement le palier biconique. [0017] Les demi-coussinets du palier biconique délimitent entre eux de préférence au moins un passage radial permettant la circulation d'un gaz. Avantageusement ce ou ces passages radiaux permettent l'évacuation du gaz circulant entre l'arbre et les deux-demi coussinets du palier biconique.

[0018] Le passage radial présente une dimension axiale réglable par modification de la distance entre les deux demi-coussinets.

[0019] De préférence, chaque demi-coussinet possède au moins un conduit radial permettant la circulation d'un gaz. Avantageusement ce ou ces conduits radiaux permettent l'arrivée du gaz sous pression provenant d'une source en direction de l'espace entre l'arbre et les deux-demi coussinets du palier biconique.

[0020] Le passage ou ledit conduit présente un diamètre inférieur à 200 micromètres, de préférence inférieur à 100 micromètres.

[0021] De préférence, chaque conduit radial débouche ou s'ouvre sur une partie lisse de la portion tronconique correspondante. Cette disposition permet d'assurer le bon fonctionnement du mode aérostatique.

[0022] Chaque partie tronconique de la portion d'arbre biconique est avantageusement constituée d'une partie lisse et d'une partie rainurée. Cette solution présente l'avantage par rapport à l'art antérieur de participer à la stabilité thermique et /ou dynamique du système. [0023] Les rainures de chaque partie rainurée présentent une forme hélicoïdale, ou sont constituées de lignes, en particulier de lignes rectilignes, sinusoïdales, ondulées. De préférence, chaque rainure s'étend sur une ligne formant un tronçon hélicoïdal à la surface de la partie rainurée. Alternativement les rainures se trouvent à la surface d'une partie de chaque demi-coussinet.

[0024] Les rainures occupent de 20 à 80 pourcents de la longueur (la mesure selon l'axe x de l'arbre) d'une partie tronconique. Cette solution présente par ailleurs l'avantage par rapport à l'art antérieur d'augmenter la rigidité et la capacité de charge en optimisant les ratios de surfaces lisses et rainurées.

[0025] Dans un mode de réalisation, chaque partie tronconique de la portion d'arbre biconique est avantageusement constituée d'une partie lisse, d'une partie rainurée et d'une partie lisse cylindrique. La partie lisse cylindrique est disposée du côté de la grande base.

[0026] La partie lisse cylindrique est très courte de longueur et mesure entre 0.1 et 1 mm, de préférence 0.25 mm.

[0027] Les parties rainurées peuvent être placées de part et d'autre des parties lisses cylindriques. [0028] Alternativement les parties lisses sont placées de part et d'autre des parties lisses cylindriques.

[0029] L'arbre est réalisé dans un matériau parmi: le titane, l'aluminium ou un de leurs alliage, l'acier, une céramique, un matériau composite.

[0030] La portion d'arbre dans le palier radial comporte de préférence au moins une partie lisse et/ou au moins une partie rainurée. [0031] Selon une disposition préférentielle, la partie rainurée d'une portion d'arbre radiale occupe de 20 à 80 pourcents de la longueur de la portion radiale de l'arbre.

[0032] Le deuxième palier radial comporte de préférence au moins un conduit radial pour le passage d'un gaz.

[0033] Avantageusement, le conduit radial du palier radial donne sur une partie lisse de la portion radiale de l'arbre.

[0034] Selon une disposition préférentielle, la hauteur de vol h est comprise entre 1 et 20 micromètres, de préférence entre 3 et 1 5 micromètres.

[0035] La broche à paliers hybrides comprend de préférence une alimentation en air sous pression reliée au conduit radial et dont la pression est réglable au cours du mode aérostatique.

[0036] L'alimentation en air est apte à alimenter le conduit radial pendant le mode aérodynamique.

[0037] L'invention a aussi pour objet une machine de perçage à grande vitesse comportant une broche à paliers hybrides aérostatique et aérodynamiques telle que celle précédemment décrite dans laquelle le palier biconique est disposé côté outil.

Brève description des figures [0038] Des exemples de mise en œuvre de l'invention sont indiqués dans la description illustrée par les figures annexées dans lesquelles : -La figure 1 illustre une broche à paliers hybrides associant un palier radial et un palier biconique.

-La figure 2 illustre une vue rapprochée d'une portion tronconique de l'arbre de la broche à palier de la figure 1 selon une variante.

5 -La figure 3 illustre une vue rapprochée de la portion radiale de l'arbre de la broche à palier de la figure 1 selon une variante.

-La figure 4 illustre une vue d'ensemble d'un système de perçage équipé de la broche à paliers de la figure 1 .

Exemple(s) de mode de réalisation de l'invention

[0039] Dans le présent document la direction « axiale » s'étend dans la 10 longueur de l'arbre de la broche à paliers, à savoir selon l'axe X-X' de la figure 1, tandis que la direction « radiale » s'étend dans n'importe quelle direction orthogonale à cetarbre.

[0040] Par ailleurs, on entend par partie tronconique un tronc de cône, ou un tronc de cône dont la grande base se prolonge axialement par une partie 1 5 cylindrique sur une courte distance inférieure ou égale à 1 mm.

[0041] Sur les figures, l'interstice formé entre l'arbre et le coussinet 20 ou les demi-coussinets 1 1 et 1 1 ' détermine la hauteur de vol h qui correspond à l'écart (lorsque la broche à paliers est en fonctionnement et à l'équilibre sans charge) entre le rayon interne du coussinet 20 ou des demi-coussinets 1 1 et 20 1 1 ' et le rayon externe correspondant de l'arbre 4.

[0042] La figure 1 illustre une broche 1 à paliers hybrides aérostatique et aérodynamique à haute vitesse selon un mode de réalisation associant un palier biconique et 2 un palier radial 3. [0043] Sur cette figure 1 est représenté un arbre rotatif 4 d'axe X-X'. L'arbre 4 est constitué de cinq tronçons s'étendant successivement de façon adjacente à savoir : trois portions avec surface lisse 30, 60 et 90 (les portions 30 et 90 représentent les deux portions d'extrémités de l'arbre 4 tandis que la portion 60 représente la portion centrale de l'arbre), une portion biconique P1 et une portion radiale P2. A titre d'exemple, la portion 60 centrale mesure environ 20 mm, tandis que l'arbre 4 mesure entre 40 mm et 80 mm.

[0044] La portion radiale P2 comprend une partie lisse 80 placée entre deux parties rainurées 70 et 70'avec des rainures agencées en chevrons tel qu'illustrées sur les figures 1 et 3. Les deux parties rainurées 70 et 70' occupent 20 à 80% de la longueur totale de la portion radiale P2 de l'arbre 4.

[0045] Dans une variante de réalisation, non représentée, la position le long de la portion radiale P2 de la partie lisse 80 et des partie rainurées 70 et 70' peuvent être inversées, à savoir avec une portion radiale P2 ayant une partie rainurée située entre deux parties lisses.

[0046] La portion d'arbre biconique P1 comporte deux parties tronconiques adjacentes 40 et 50, dont le plus grand diamètre est tourné en direction de l'autre des deux parties tronconiques 40 et 50. Le diamètre le plus grand de la portion d'arbre biconique P1 étant dans sa partie centrale.

[0047] Chaque partie tronconique 40 (50) est munie d'une partie rainurée 42 (52), d'une partie lisse 41 (51 ) et d'une autre partie lisse cylindrique 43 (53) tel qu'illustre la figure 1 . Sur chaque partie tronconique 40 (50), les rainures occupent de 20 à 80% de la longueur. Dans le cas de la figure 2, la partie lisse cylindrique 43 est réduite à une dimension axiale nulle à l'emplacement de la grande base de la partie tronconique 40. La disposition des rainures sur les deux parties rainurées 42 et 52 est telle que l'on obtient une forme de chevrons. [0048] Sur la figure 1, les deux parties rainurées 42 et 52 sont placées de part et d'autre des deux parties lisses cylindriques 43 et 53. Dans une variante de réalisation partiellement représentée sur la figure 2, les deux parties rainurées 42 et 52 sont adjacentes de sorte que la pointe des chevrons est disposée à la frontière entre les deux parties tronconiques 40 et 50.

[0049] Dans une variante de réalisation particulière, non représentée, la position le long de chaque partie tronconique 40 (50), de la partie lisse 41 (51 ) et de la partie rainurée 42 (52) peut être inversée. Dans ce cas pour chaque partie tronconique 40 (50), la partie lisse 41 (51 ) est située à l'extrémité de la partie tronconique 50 (40) tournée vers l'autre partie tronconique. Dans cette variante ce sont donc les deux parties lisses 41 et 51 qui sont adjacentes ou bien seulement séparées par deux parties lisses cylindriques 43 et 53 précédemment décrites. [0050] Dans un autre mode de réalisation, non représenté, les rainures sont seulement situées sur les surfaces intérieures s1 , s1 ', s2 et s2' des coussinets 20 et/ou demi coussinets 10 et 10' dans une répartition et un agencement axiaux similaires avec ce qui est décrit précédemment pour les surfaces rainurées des portions biconique P1 et radiale P2 de l'arbre 4. [0051] En régime haute vitesse les rainures génèrent de la portance et de la rigidité, selon les configurations, elles apportent également de la stabilité dynamique et/ou favorisent l'évacuation de chaleur produite dans le film de gaz, tandis que la partie lisse permet d'augmenter la rigidité et la capacité de charge du système. [0052] Dans un mode de réalisation, les rainures peuvent être obliques comme le montrent les figures 1 , 2 et 3.

[0053] Le palier biconique 2 est constitué de deux demi-coussinets coniques 10 et 10' et la partie d'arbre biconique est constituée de deux portions tronconiques adjacentes 40 et 50. [0054] Le diamètre maximal de la portion d'arbre biconique P1 est inférieur à 40 mm, et est de préférence compris entre 7 et 12 mm, tandis que le diamètre minimal de la portion d'arbre biconique P1 équivaut au diamètre nominal de l'arbre donné plus loin. [0055] Chaque demi-coussinet 10 et 10' est muni d'au moins un conduit radial 1 1 , 1 1 ' d'environ 100 micromètres de diamètre, qui permet la circulation d'un gaz tel que l'air par exemple. Ce ou ces conduits radiaux débouchent sur la partie lisse de la portion tronconique 41 , 41 '. De préférence ces conduits radiaux 1 1, 1 1 ' sont disposés sur un même plan radial de chaque demi-coussinet 10 et 10', au moins au nombre de 4, voire au moins au nombre de 8, et de préférence au moins au nombre de 14, et avantageusement au nombre de 15. En effet, avec un nombre de conduits radiaux 1 1 , 1 1 ' plus grand que quatre, la répartition circonférentielle de la pression d'air est améliorée, ce qui est un avantage significatif en mode aérostatique. En variante (cas de figure non représenté), ces conduits radiaux 1 1 , 1 1 ' sont des conduits à poches par le fait qu'ils présentent un élargissement important de leur diamètre dans leur tronçon terminal tourné vers l'arbre 4. En alternative à ces conduits radiaux 1 1 , 1 1 ', on peut utiliser un matériau poreux pour réaliser chaque demi-coussinet. [0056] En aérostatique l'air entre par les conduits 1 1 , 1 1 ' du palier biconique 2 et 21 du palier radial 3 et circulent vers les extrémités latérales desdits paliers. En aérodynamique l'air entre par le conduit 12 du palier biconique 2 et circule vers les extrémités latérales dudit palier. En aérodynamique l'air entre par les extrémités latérales du palier radial 3 et ressort par le conduit 21 dudit palier.

[0057] Le palier biconique 2 est placé de préférence du côté exigeant plus de stabilité. Par exemple dans une machine de perçage le palier biconique 2 sera placé côté outil mais il peut également être placé du côté opposé à l'outil. [0058] Le palier radial 3 est constitué d'un coussinet radial 20 et de la portion d'arbre radiale P1 .

[0059] Le coussinet 20 du palier radial est également muni d'au moins un conduit 21 d'environ 100 micromètres de diamètre qui permet la circulation d'un gaz tel que l'air par exemple. Ce conduit radial débouche sur la partie lisse de la portion radiale 80. De préférence ce conduit radial 21 est disposé sur un même plan radial que le coussinet 20. De préférence, ces conduits radiaux 21 sont au moins au nombre de 4, voire au moins au nombre de 6 et de préférence au nombre de 8. En effet, avec un nombre de conduits radiaux plus grand que quatre, la répartition circonférentielle de la pression d'air est améliorée, ce qui est un avantage significatif en mode aérostatique. En variante (cas de figure non représenté), ce conduit radial 21 est un conduit à poches par le fait qu'il présente un élargissement important de son diamètre dans son tronçon terminal tourné vers l'arbre 4. En alternative à ce conduit radial 21 , on peut utiliser un matériau poreux pour réaliser le coussinet.

[0060] Chaque conduit a un diamètre inférieur à 200 micromètres, de préférence 100 micromètres. Ces conduits servent à créer de la perte de charge.

[0061] L'arbre 4 est de préférence évidé par tronçon sur toute sa longueur, ce qui permet d'alléger la broche à palier 1 . Egalement de préférence, l'arbre 4 présente un diamètre nominal (portions 30, 60 et 90) inférieur à 20 mm, de préférence entre 4 et 7 mm.

[0062] La figure 4 illustre un système de perçage 100 intégrant la broche à palier précédemment décrite en relation avec les figures 1 à 3. L'arbre 4 y est représenté avec les entrées d'air 1 1 , 1 1 ' et les sorties d'air (passage radial 12) communiquant avec les éléments du système de perçage 100. L'arbre 4 est équipé d'un rotor à aimant permanent 101 placé à l'intérieur de l'arbre 4 tel que représenté. Ce rotor 101 induit un champ électrique dans les enroulements du stator 108. [0063] Deux zones d'équilibrage se trouvent aux deux portions d'extrémités 30 et 90 de l'arbre 4. L'équilibrage se fait donc à gauche de la figure 4, au niveau de la portion 30 de l'arbre, par des vis axiales 103 avec balourd et à droite de la figure 4, au niveau de la portion 90 de l'arbre, par des vis de serrage 102. De cette façon, l'équilibrage dynamique sur l'axe X-X' de l'arbre 4 est assuré par réglage des deux extrémités de l'arbre 4.

[0064] L'arbre 4 peut être usiné dans différents matériaux parmi : le titane, l'aluminium, un de leurs alliages, l'acier, une céramique, ou encore un matériau composite. [0065] En référence avec le système de perçage de la figure 4, l'élément piézo-électrique 104, monté sur une structure à disque qui vient en appui sur le demi-coussinet 10', permet de régler le positionnement axial de l'un des demi-coussinets 10' par rapport à l'autre demi-coussinet 10 avec une très grande rigidité radiale. Ce positionnement peut être fixe pendant le fonctionnement de la broche à paliers 1 , par réglage lors du démarrage, en mode aérostatique, ou bien réglé par asservissement en fonction de la position déduite de la mesure d'un capteur de position, d'un capteur de température, d'un capteur de vitesse. Un tel capteur peut être capacitif, inductif ou un capteur laser. [0066] Grâce à cette disposition, ou par tout autre agencement, le passage radial 12 présente une dimension axiale d réglable par modification de la distance entre les deux demi-coussinets 10, 10', ce qui permet de modifier la hauteur de vol h du palier biconique.

[0067] De préférence, on prévoit dans le palier radial 3 et/ou le palier biconique 2, une alimentation en air sous pression reliée auxdits conduits radiaux 1 1 , 1 1 ', 21 . Optionnellement la pression de cette alimentation en air est réglable, notamment lorsque le mode aérostatique domine. Optionnellement cette alimentation en air est apte à alimenter les conduits radiaux 1 1, 1 1 ', 21 du palier radial 3 et/ou du palier biconique 2 pendant le mode aérodynamique car de bons résultats ont été obtenus avec cette configuration.

[0068] Le système de refroidissement à air 107 est utilisé pour le stator. Un système de refroidissement à eau est optionnellement utilisé pour l'extérieur du stator 108.

[0069] Dans un mode de réalisation non représenté, les coussinets 20 ou demi-coussinets 10 et 10' des paliers radial 3 et biconique 2 peuvent être montés sur des supports flexibles, élastiques et dissipatifs typiquement des joints toriques en élastomère (situés entre le coussinet 20 du palier radial 3, les demi-coussinets 10 et 10' du palier biconique 2 et les éléments reliés au corps de la broche) afin de permettre l'amortissement, dissiper l'énergie des modes vibratoires critiques et augmenter les plages de régime de fonctionnement de la broche.

[0070] La hauteur de vol h est comprise entre 1 et 20 micromètres, de préférence entre 3 à 15 micromètres. Ces valeurs préférentielles concernent le palier biconique, ou bien le palier radial ou bien à la fois le palier biconique et le palier radial. Cette hauteur de vol h permet de contrôler la dynamique du rotor 101 , d'élargir la plage de régime de fonctionnement de la broche, permet d'augmenter ponctuellement la capacité de charge axiale et radiale.

[0071] A haute vitesse, à cause de l'effet centrifuge, les surfaces vont se déformer. Pour cela les surfaces des paliers peuvent être usinées de façon à avoir des formes spécifiques pour compenser cette déformation. Dans ce cas de figure, au repos, le palier radial n'est pas purement de forme cylindrique mais concave ainsi que les parties tronconiques qui ont une génératrice de forme concave. Numéros de référence employés sur les figures

1 Broche à paliers hybrides

2 Portion palier biconique

10 Demi-coussinet conique côté droit

10' Demi-coussinet conique côté gauche

1 1 Conduit radial d'alimentation de la portion palier biconique côté droit

1 1 ' Conduit radial d'alimentation de la portion palier biconique côté gauche

12 Conduit de distribution de la pression

S1 , Surfaces internes des deux demi-coussinets du palier biconique S1 '

3 Portion Palier radial

20 Coussinet du palier radial

21 Conduit d'alimentation du coussinet du palier radial

S2 et Surfaces internes du coussinet du palier radial

S2'

h Hauteur de vol

4 Arbre tournant

80 Partie lisse de la partie radiale de l'arbre située entre 70 et 70'

70 Partie avec rainures de la partie radiale de l'arbre côté droit

70' Partie rainurée de la partie avec rainures de la partie radiale de l'arbre côté gauche

X-X' L'axe longitudinal de l'arbre

P1 Portion tronconique de l'arbre 4

P2 Portion radiale de l'arbre 4 Partie tronconique de l'arbre côté gauche

Rainures de la partie tronconique de l'arbre côté gauche

Partie lisse de la partie tronconique de l'arbre côté gauche

Partie lisse et cylindrique de la partie tronconique de l'arbre côté gauche

Partie tronconique de l'arbre côté droit

Rainures de la partie tronconique de l'arbre côté droit

Partie lisse de la partie tronconique de l'arbre côté droit

Partie lisse et cylindrique de la partie tronconique de l'arbre côté droit

Portion lisse d'arbre située avant la partie tronconique 40 de l'arbre Portion lisse située entre les parties 50 et 70 de l'arbre

Portion lisse située après la partie 70'

Système de perçage.

Rotor

Vis de serrage

Vis axiale

Actionneur piézoélectrique

Système de refroidissement à air

Stator

Alimentations en air