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L'invention concerne un joint fileté du type à emboîtement cylindrique et à serrage à chaud. Le brevet belge n 542,989 du 22.11.55 donne la description d'un joint fileté du type à emboîtement et à serrage à chaud, caractérisé en ce qu'un au moins des filetages à l'état non chargé a une forme qui diffère de celle d'un filetage normal (étant entendu que les deux filetages ne diffèrent pas de la même manière), de sorte qu'une fois l'élément femplle serré autour de lt élément mâle, mais sans déforma- tion plastique, les flancs extérieurs du filetage de l'êtes ment mâle'-et les flancs intérieurs de l'élément femelle supportent une charge plus forte que les autres flancs.
Ce brevet ne concerne que les joints filetés coniques.
Or il a été découvert qu'on peut donner avan- tageusement une forme correspondante à un joint fileté cy- lindrique du type à serrage à chaud. Le joint fileté du type emboîtement cylindrique et à serrage à chaud de l'invention est donc caractérisé en ce qu'au moins un des filetages à l'état non chargé a une forme qui diffère de celle d'un filetage normal cylindrique (étant entendu que les deux filetages ne diffèrent pas de la même manière) de sorte'qu'une fois l'élément femelle serré à chaud autour de l'élément mâle, mais sans déformation plastique, les flancs extérieurs du filetage de l'élément mâle et les flancs intérieurs du filetage de l'élément femelle suppor- tent une charge plus forte que les autres flancs.
L'expression "flancs extérieurs (flancs inté- rieurs du filetage désigne les flancs qui s'éloignent (se rapprochent) du milieu du filetage et l'expression "filetage cylindrique" désigne un filetage dont le diamètre des flancs est sensiblement le même sur toute la longueur, à l'encontre d'un filetage conique. L'expression "filetaga
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cylindrique normal" désigne un filetage dont le pas et le diamètre des flancs sont les mêmes sur toute la lon- gueur et en outre un filetage dont le pas et la conicité sont les mêmes sur toute la longueur, mais dont la conici- té est -assez faible (par exemple inférieure à 1 ) pour que le filetage ne puisse pas être dit filetage conique. l'ex pression "filetage" ne désigne que la portion des filetage; qui sont en prise dans le joint.
Les flancs extérieurs du filetage de ltélément mâle et les flancs intérieurs de celui de l'élément femelle sont parfois désignés ci-après par "flancs chargés" et les autres flancs par "flancs non chargés".
Le joint de l'invention possède les mêmes pro- priétés avantageuses du joint fileté du type à serrage à chaud du brevet n 542.989 . c'est-à-dire que le nouveau joint est beaucoup plus résistant que les joints connus, ce qui peut s'expliquer par le fait qu'il ne se produit pas d'effet de coincement à la base des filets, que la charge'des flancs chargés est sensiblement la même en empê chant ainsi les' surcharges locales et que la portion file- tée de l'élément mâle subit un effort de compression.
Suivant l'invention les filetages des éléments mâle et femelle à l'état non chargé doivent comporter certaines différences; en ce qui concerne le résultat il est sans importance que ces différences soient obtenues en donnant au filetage de l'élément mâle, à celui.de l'élé- ment femelle ou aux deux des formes différentes de celles du filetage cylindrique normal. Mais au point de vue de la fabrication il convient de donner au filetage de l'élé- ment mâle ou de l'élément femelle la forme d'un filetage cylindrique normal.
La nature des écarts (à ltétat non chargé) est semblable à celle des écarts décrits dans le brevet 542,989
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29,10,56 et de la demande de brevet belge n 435. déposé le/' Le pas des éléments mâle et femelle à l'état non chargé et à froid peut donc être le même, tandis qu'il varie locale- ment au milieu du filetage des éléments mâle et/ou femelle et'la différence entre les diamètres des flancs des file- tages mâle et femelle est plus grande au milieu du fileta- ge qu'aux extrémités. De plus le pas des filetages des éléments mâle et femelle peut être constant, celui de l'élément mâle étant un peu plus grand que celui de l'élé- ment-femelle.
Dans ce cas la différence entre les diamè- tres des flancs des éléments mâle et femelle doit être plus petite au milieu des filetages qu'aux extrémités.
En outre il peut exister à l'état non chargé , et à froid entre les filetages des éléments mâle et femel- le une différence de pas qui diminue du milieu aux extré- mités des filetages, le pas du filetage de l'élément mâle étant plus grand au milieu que celui de l'élément femelle.
De préférence la variation de pas est continue et l'élé- ment femelle comporte un filetage cylindrique normal.
L'invention est décrite en détail ci-après avec le dessin schématique ci-joint à l'appui sur lequel : - la figure 1 est une coupe transversale d'un joint de deux éléments serrés à force l'un sur l'autre, - les figures 2, 3 et 4 représentent diverses variantes de filetages à emboîtement non chargés à froid et - la figure 5 est une coupe transversale d'un joint du type-à serrage à chaud et à épaulement.
La figure 1 représente une portion 1 comportant un élément mâle 2 sur lequel est serré à chaud une portion.
3 comportant un élément femelle 4; l'élément mâle 2 compo te un filetage 5 en prise avec un filetage 6 de l'élément femelle 4. L'axe longitudinal du joint est désigné par
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7. Les flancs extérieurs du filetage 5 sont en contact avec les flancs intérieurs du filcatage 6 et supportent une charge spécifique K. Une fente hélicoïdale subsiste entre les autres flancs. D'autres forces non indiquées outre les forces K peuvent s'exercer sur le joint, par exemple des forces extérieures et des forces provenant d'épaulements.
Les forces extérieures sont supposées données, tandis que les forces K et les forces éventuelles prove- nant des épaulements peuvent être choisies, en tenant comp te' des efforts acceptables. Le joint étant dans l'état représenté sur la figure 1 les composantes axiales des forces ont pour effet de raccourcir l'élément mâle 2 et d'allonger l'élément femelle 4 par rapport à l'état non chargé ; les extrémités de l'élément mâle se sont rappro- chées du milieu M et celles de l'élément femelle s'en sont éloignées. De plus les composantes radiales des forces intérieures provoquent aussi des déformations. Toutes ces déformations et déplacements relatifs peuvent être cal- culés et à cet effet les propriétés du matériau doivent être connues.
Les figures 2,3 et 4 représentent chacune en coupe une partie des filetages d'un élément mâle non char- gé et d'un élément femelle non chargé, froid. On suppose dans ce cas qu'en partant d'un joint du type à serrage à chaud, les composantes axiales s'exerçant sur "les éléments mâle et femelle ont été supprimées, en maintenant ainsi le milieu M en place, par conséquent les filetages des élé- ments mâle et femelle se recouvrent en partie sur les figu- res 2, 3 et 4 Le recouvrement axial des flancs chargés est indiqué sur les figures par a1 a2 a3 a4 a5 et a6 ce recouvrement est sensiblement égal au total des mouve- ments de déplacement relatifs à calculer des flancs charges
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des filetages des éléments mâle et femelle par rapport au milieu M. Il dépend aussi des composantes radiales des fortes intérieures.
. Les figures 2,3 et 4 représentent un élément femelle 4 comportant un filetage cylindrique normal 6; les, lignes 8 et 9 qui en coupe passent par le sommet et la ba se des filets respectivement sont des lignes droites parai lèles à l'axe 7 De plus les recouvrements suivant l'axe a1 a2 a3 a4 a5 et a6 sont les mêmes sur ces figures (en admettant évidemment que la charge est la même dans tous les cas) de sorte que la position des flancs exté- rieurs du filetage 5 de l'élément mâle est aussi la même sur toutes ces figures.
La position relative des flancs intérieurs du filetage 6 et des flancs extérieurs du file- tage 5 à l'état non chargé est de première importance,mais la position des flancs extérieurs du filetage 6 et des flancs intérieurs du filetage 5 peut être choisie à peu près à,volonté,
La position des flancs intérieurs du filetage de la forme de réalisation de la figure 2 est choisie de façon que le pas du filetage 5 soit plus grand que celui du filetage 6 et la ligne 10 qui en coupe passe par la base des filets 5 est une ligne droite, parallèle à l'axe 7. Il en résulte que la ligne 11 qui passe par le sommet des filets 5 en coupe, est convexe vers la droite, c'est- à-dire que le pas du filetage 5 varie progressivement et que la variation de la différence de pas entre les fileta- ges 5 et 6 est plus grande au milieu M.
Il est évident que la ligne 11 peut aussi être une ligne droite et la li- gne 10 convexe vers la gauche, la ligne 8 convexe vers la droite ou la ligne 9 convexe vers la gauche. Deux ou plu sieurs de ces lignes peuvent aussi être courbes, mais les formes de la figure 2 sont relativement faciles à fabri-
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quer. Une autre solution possible serait de supposer que les fentes de la figure 1 entre les flancs non char- gés sont fermées et dans ce cas ces flancs n'exercent au- cune force l'un sur l'autre sinon une force faible par rap- port aux forces K. On peut calculer ensuite la largeur prise par les fentes entre les flancs non chargés de la figure 2.
La position des flancs intérieurs du filetage 5 est ainsi également déterminée ; les écarts du filetage deviennent ainsi plus compliqués, mais on peut former un joint étanche de cette manière.
La figure 3 représente une forme de réalisa- tion dans laquelle les flancs intérieurs du filetage 5 oc- cupent ,une position dans laquelle le pas P2 constant de ce filetage est plus grand que le pas p1 du filetage 6.
La différence entre les diamètres des'flancs des filetages 5 et 6 est maximum dans cette forme de construction aux extrémités des filetages, le diamètre du filetage étant considéré comme étant le double de la distance entre l'axe 7 et le milieu du flanc. Les lignes 10 et 11 de la figure 3 sont convexes vers la droite, les lignes 8 et 9 peuvent aussi être convexes vers la gauche, ou les lignes 8 et 9, ainsi que 10 et 11, peuvent être courbes.
La figure 4 représente une forme de réalisa- tion dans laquelle les flancs intérieurs du filetage 5 oc- cupent une position dans laquelle le pas du filetage 5 est constant et,égal au pas du filetage 6, mais ce-pas varie localement au milieu M figure 4, en formant une rainure à pas plus grand; il peut aussi consister en une interrup- tion du filetage; le filetage 6 ou les filetages 5 et 6 peuvent aussi comporter une variation de pas locale. La différence entre les diamètres des flancs des filetages 5 et 6 est maximum au milieu M.
Il est évident que les filets peuvent aussi
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comporter dtautres écarts pourvu que les positions relati- ves des flancs chargés restent les mêmes. (Lorsqu'au moint la charge quton désire et les propriétés de la'matière restent aussi les mêmes).
Il a été question dans ce qui précède du mi- lieu M; ce milieu doit être considéré comme le point où les flancs intérieurs et extérieurs viennent se confondre (ce qui résulte de la définition des flancs intérieurs et extérieurs), c'est-à-dire le point où les efforts de com- pression ou de tension sont maximum. Le milieu M d'un joint ne comportant pas d'épaulement coincide avec le vé- ritable milieu du filetage, au moins lorsque les efforts de traction et de compression maximum que le joint doit être susceptible de transmettre sont égaux. Mais il résul- te de l'équilibre des composantes axiales des diverses for ces que dans le cas d'efforts d'épaulements et/ou de forces extérieures, le milieu M ne doit pas coïncider en général avec le véritable milieu m des filetages, ainsi que l'in- dique la figure 5.
Sur cette figure l'élément mâle 15 com- porte un épaulement 16 et l'élément femelle 17 un épaule- ment 18. L'effort dans les épaulements est désigné par L.
Le milieu M est plus près de l'extrémité de l'élément mâle et plus:loin de' celle de l'élément femelle 17 que le véri- table milieu m.
Il convient, pour obtenir une étanchéité satis, faisante entre les épaulements 16 et 18 en refroidissant le joint que les droites 19 et 20 qui en coupe sont dans le prolongement des épaulements 16 et 18 et du flanc 21 respectivement, où au moment où on effectue le joint, le premier contact s'établit entre les filets des éléments mâle 15 et femelle 17, coupent au-dessus de l'axe 22 du joint.
Les écarts sont exagérés sur les figures, en
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réalité ils sont très faibles et par suite les forces Qui sont nécessaires pour provoquer une déformation n'imposeur pas une charge prohibitive aux éléments mâle et femelle.
La fabrication du filetage de l'élément mêle et/ou de l'élément femelle d'un joint suivant l'invention donne lieu à des,difficultés plus grandes qu'un filetage normal. Mais on y remédie au moyen d'accessoires spéciaux du tour à fileter servant cailler les filetages. Par exemple on peut obtenir les écarts voulus de la conicité au moyen d'un outil de tournage conique comportant les écarts qu'on désire. On peut obtenir une faible différen- ce constante entre les pas des deux filetages au moyen de roues de changement de vitesse appropriées (par exemple en choisissant pour un des filetages une roue à 400 dents et pour l'autre une roue à 401 dents).
Pour obtenir les variations de pas qu'on désire dans un filetage à tailler, on peut imprimer à l'écrou de la vis-mère accouplé au por- te-outil et dont le mouvement est provoqué par la vis-mère, au lieu d'un simple mouvement de translation, un mouvement de rotation (en supplément) par rapport à l'axe de la vis- mère, au moyen d'un gabarit qui guide ce mouvement de ro- tation, puisqu'en faisant tourner l'écrou de la vis-mère dans le même sens que cette vis on fait diminuer le pas et en le faisant tourner dans l'autre sens, on fait augmenter le pas.
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The invention relates to a threaded joint of the hot-clamping cylindrical interlocking type. Belgian patent No. 542,989 of 22.11.55 gives the description of a threaded joint of the interlocking and hot-tightening type, characterized in that at least one of the threads in the unloaded state has a shape which differs from that a normal thread (it being understood that the two threads do not differ in the same way), so that once the element is tightened around the male element, but without plastic deformation, the outer flanks of the thread of the male element and the inner flanks of the female element bear a greater load than the other flanks.
This patent relates only to conical threaded joints.
Now, it has been discovered that it is advantageously possible to give a corresponding shape to a cylindrical threaded joint of the hot clamping type. The threaded joint of the cylindrical socket type and hot clamping of the invention is therefore characterized in that at least one of the threads in the unloaded state has a shape which differs from that of a normal cylindrical thread (it being understood that the two threads do not differ in the same way) so that once the female element has been hot tightened around the male element, but without plastic deformation, the outer flanks of the male element thread and the inner flanks of the female element thread bear a greater load than the other flanks.
The expression "outer flanks (inner flanks of the thread designates the flanks which move away from (approach) the middle of the thread and the expression" cylindrical thread "designates a thread whose flank diameter is substantially the same throughout. the length, as opposed to a conical thread. The expression "filetaga
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normal cylindrical "means a thread whose pitch and flank diameter are the same over the entire length and, in addition, a thread whose pitch and taper are the same over the entire length, but whose conicity is - low enough (for example less than 1) so that the thread cannot be said to be tapered thread, the ex pressure "thread" designates only the portion of the threads which are engaged in the joint.
The outer flanks of the male element thread and the inner flanks of that of the female element are sometimes referred to hereinafter as "loaded flanks" and the other flanks as "unloaded flanks".
The joint of the invention has the same advantageous properties of the hot-clamp type threaded joint of Patent No. 542,989. that is, the new seal is much stronger than the known seals, which can be explained by the fact that there is no wedging effect at the base of the threads, than the load The loaded sidewalls is substantially the same thereby preventing local overloads and the threaded portion of the male member undergoing a compressive stress.
According to the invention the threads of the male and female elements in the unloaded state must have certain differences; as to the result it is irrelevant whether these differences are obtained by giving the thread of the male element, the one of the female element or both of the shapes different from those of the normal cylindrical thread. However, from the point of view of manufacture, the thread of the male element or of the female element should be given the form of a normal cylindrical thread.
The nature of the deviations (in the unloaded state) is similar to that of the deviations described in '542,989.
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29,10,56 and Belgian patent application No. 435. filed on / 'The pitch of the male and female elements in the unloaded and cold state may therefore be the same, while it varies locally at middle of the threads of the male and / or female elements and the difference between the diameters of the flanks of the male and female threads is greater at the middle of the thread than at the ends. In addition, the pitch of the threads of the male and female elements can be constant, that of the male element being a little larger than that of the female element.
In this case the difference between the diameters of the sides of the male and female elements must be smaller in the middle of the threads than at the ends.
In addition there may exist in the unloaded state, and when cold between the threads of the male and female elements, a difference in pitch which decreases from the middle to the ends of the threads, the pitch of the thread of the male element being larger in the middle than that of the female element.
Preferably the pitch variation is continuous and the female element has a normal cylindrical thread.
The invention is described in detail below with the accompanying schematic drawing on which: - Figure 1 is a cross section of a joint of two elements force-tightened one on the other, - Figures 2, 3 and 4 show various variations of non-cold-loaded interlocking threads; and - Figure 5 is a cross section of a hot-clamp, shoulder-type joint.
FIG. 1 represents a portion 1 comprising a male element 2 on which a portion is heat-tightened.
3 comprising a female element 4; the male element 2 comprises a thread 5 in engagement with a thread 6 of the female element 4. The longitudinal axis of the seal is designated by
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7. The outer flanks of the thread 5 are in contact with the inner flanks of the threading 6 and support a specific load K. A helical slot remains between the other flanks. Other forces not indicated in addition to K forces may act on the joint, for example external forces and forces from shoulders.
The external forces are assumed to be given, while the forces K and any forces from the shoulders can be chosen, taking into account acceptable forces. The joint being in the state shown in Figure 1, the axial components of the forces have the effect of shortening the male element 2 and lengthening the female element 4 with respect to the unloaded state; the ends of the male element have moved closer to the middle M and those of the female element have moved away from it. In addition, the radial components of the internal forces also cause deformations. All these relative deformations and displacements can be calculated and for this purpose the properties of the material must be known.
Figures 2, 3 and 4 each show in section a portion of the threads of an unloaded male member and a cold unloaded female member. In this case, it is assumed that starting from a hot-tightening type joint, the axial components acting on "the male and female elements have been omitted, thus keeping the middle M in place, consequently the threads. male and female elements partially overlap in figures 2, 3 and 4 The axial overlap of the loaded sides is indicated in the figures by a1 a2 a3 a4 a5 and a6 this overlap is substantially equal to the total of the movements. displacement elements relating to the calculation of load flanks
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the threads of the male and female elements with respect to the medium M. It also depends on the radial components of the internal strong.
. Figures 2, 3 and 4 show a female element 4 comprising a normal cylindrical thread 6; the, lines 8 and 9 which in section pass through the top and the base of the threads respectively are straight lines parallel to the axis 7 In addition, the overlaps along the axis a1 a2 a3 a4 a5 and a6 are the same on these figures (obviously assuming that the load is the same in all cases) so that the position of the outer flanks of the thread 5 of the male element is also the same in all these figures.
The relative position of the inner flanks of the thread 6 and the outer flanks of the thread 5 in the unloaded state is of primary importance, but the position of the outer flanks of the thread 6 and the inner flanks of the thread 5 can be chosen somewhat. close to, will,
The position of the inner flanks of the thread of the embodiment of FIG. 2 is chosen so that the pitch of the thread 5 is greater than that of the thread 6 and the line 10 which in section passes through the base of the threads 5 is a straight line, parallel to the axis 7. It follows that the line 11 which passes through the apex of the threads 5 in section, is convex to the right, that is to say that the pitch of the thread 5 varies gradually and that the variation of the pitch difference between threads 5 and 6 is greater in the middle M.
Obviously, line 11 can also be a straight line and line 10 convex to the left, line 8 convex to the right or line 9 convex to the left. Two or more of these lines can also be curved, but the shapes in Figure 2 are relatively easy to make.
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quer. Another possible solution would be to assume that the slots in figure 1 between the unloaded sidewalls are closed and in this case these sidewalls exert no force on each other except a weak force compared to the other. port to forces K. We can then calculate the width taken by the slots between the unloaded flanks in Figure 2.
The position of the inner flanks of the thread 5 is thus also determined; the gaps of the thread thus become more complicated, but a tight seal can be formed in this way.
FIG. 3 shows an embodiment in which the inner flanks of the thread 5 occupy a position in which the constant pitch P2 of this thread is greater than the pitch p1 of the thread 6.
The difference between the diameters of the flanks of the threads 5 and 6 is maximum in this form of construction at the ends of the threads, the diameter of the thread being considered to be twice the distance between the axis 7 and the middle of the flank. Lines 10 and 11 in Figure 3 are convex to the right, lines 8 and 9 can also be convex to the left, or lines 8 and 9, as well as 10 and 11, can be curved.
FIG. 4 shows an embodiment in which the inner flanks of the thread 5 occupy a position in which the pitch of the thread 5 is constant and, equal to the pitch of the thread 6, but this pitch varies locally in the middle M Figure 4, forming a groove with a larger pitch; it can also consist of an interruption of the thread; the thread 6 or the threads 5 and 6 can also include a local pitch variation. The difference between the diameters of the flanks of the threads 5 and 6 is maximum in the middle M.
It is obvious that the nets can also
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include other deviations provided that the relative positions of the loaded flanks remain the same. (When at the same time the desired load and the properties of the material also remain the same).
The above mentioned medium M; this middle must be considered as the point where the inner and outer flanks merge (which results from the definition of the inner and outer flanks), i.e. the point where the compression or tension forces are maximum. The middle M of a joint not comprising a shoulder coincides with the true middle of the thread, at least when the maximum tensile and compressive forces that the joint must be able to transmit are equal. However, it follows from the balance of the axial components of the various forces that in the case of shoulder forces and / or external forces, the midpoint M must not generally coincide with the true midpoint m of the threads, as shown in figure 5.
In this figure, the male element 15 comprises a shoulder 16 and the female element 17 a shoulder 18. The force in the shoulders is designated by L.
The middle M is closer to the end of the male member and farther from that of the female member 17 than the true middle m.
To obtain a satis seal, forming between the shoulders 16 and 18 by cooling the seal, the straight lines 19 and 20 which in section are in the extension of the shoulders 16 and 18 and of the sidewall 21 respectively, or at the time when the seal, the first contact is established between the threads of the male 15 and female 17 elements, cut above the axis 22 of the seal.
The differences are exaggerated in the figures, in
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reality they are very weak and consequently the forces which are necessary to cause a deformation do not impose a prohibitive load on the male and female elements.
The manufacture of the thread of the mixed element and / or of the female element of a seal according to the invention gives rise to greater difficulties than a normal thread. However, this can be remedied by means of special accessories of the threading machine used to curdle the threads. For example, the desired taper deviations can be obtained by means of a taper turning tool having the desired deviations. A small constant difference between the pitches of the two threads can be obtained by means of suitable shifting wheels (for example by choosing for one of the threads a wheel with 400 teeth and for the other a wheel with 401 teeth).
To obtain the variations of pitch that one wishes in a thread to be cut, one can print on the nut of the lead screw coupled to the tool holder and whose movement is caused by the lead screw, instead of '' a simple translational movement, a rotational movement (in addition) with respect to the axis of the lead screw, by means of a template which guides this rotational movement, since by turning the nut of the lead screw in the same direction as this screw, the pitch is reduced and by turning it in the other direction, the pitch is increased.
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