Pièce à main pour outil tournant à grande vitesse
La présente invention concerne une pièce à main pour outil tournant à grande vitesse, notamment une pièce à main pour dentiste, à entraînement par turbine à gaz.
L'utilisation économique et pratique d'outils de coupe comprenant un abrasif à grain fin, par exemple du carbure de silicium, ou des grains de diamants noyés dans un liant, nécessite des vitesses de coupe dépassant 30 m/sec à la périphérie de l'outil. Pour atteindre au moins approximativement ces vitesses de coupe, même pour des outils à diamètre très petit, des vitesses de rotation extrêmement élevées sont requises qui ne peuvent être atteintes normalement que par des turbines à gaz. Or, de telles vitesses ne manquent pas d'occasionner des difficultés pour l'entraînement et, plus particulièrement, dans les paliers. Une de ces difficultés est l'échauffement des paliers même pour des faibles poussées axiales, telles qu'elles se produisent à la pression de travail de l'outil.
Le but de la ; présente invention est la réalisation d'une pièce à main permettant la stabilisation en position axiale du dispositif rotor.
A cet effet, suivant la présente invention, la pièce à main pour outil tournant à grande vitesse, notamment pour dentiste, à entraînement par turbine à gaz, dans laquelle l'arbre du rotor tourne dans des paliers antifriction, est caractérisée en ce que les voies, suivant lesquelles le gaz est évacué du rotor au moins partiellement des deux côtés, sont agencées de façon telle que le rotor est stabilisé en direction axiale.
De préférence, au moins une partie du gaz s'échappera de l'enveloppe parallèlement à l'axe du rotor.
Dans une forme de réalisation munie de chaque côté du rotor de paliers identiques, les voies suivant lesquelles le gaz est évacué du rotor de deux cotés, sont agencées de façon que des volumes de gaz sensiblement égaux par unité de temps passent par les deux paliers.
De préférence, la face frontale de l'enveloppe autour de l'extrémité de l'arbre portant l'outil pré sente une ouverture d'échappement à resserrement permettant l'échappement de gaz sous pression en provenance d'un palier parallèlement à l'arbre et en direction de l'outil.
Dans un tel agencement, on aura avantage à ce qu'au moins une partie du gaz passe du rotor par les paliers et ensuite par les ouvertures d'échappement à resserrement communiquant avec ces paliers.
De préférence, ces ouvertures d'échappement à resserrement seront disposées dans des faces frontales opposées de l'enveloppe.
Un rotor chargé en direction tangentielle peut tourner dans une chambre présentant les ouvertures de sortie resserrées pour le gaz, ces ouvertures étant disposées dans les faces frontales opposées par lesquelles passent les extrémités de l'arbre du rotor, de sorte que les aubes du rotor se trouvent dans une chambre annulaire. De préférence, le ou les paliers antifriction qui voisinent avec le rotor sont dimensionnés de façon que le rayon des centres des éléments antifriction soit sensiblement égal au rayon intérieur des aubes. A la face frontale arrière de l'enveloppe on prévoit avec avantage une ouverture d'échappement pour le gaz, alignée axialement avec une ouverture axiale, traversant de part en part l'arbre du rotor et servant à la face antérieure à rece voir l'outil.
Par une telle disposition des voies de courant et par la conduite d'air ou de gaz ainsi réa lisée, on peut obtenir non seulement une excellente stabilisation élastique du rotor en direction axiale, et par là un travail plus doux, mais en plus de cela et grâce à cette stabilisation et aussi au refroidissement des paliers réalisés par cette conduite d'air, enfin éventuellement par une lubrification de ces paliers par un brouillard d'huile ajouté au gaz, la durée de vie de ces paliers, et, par conséquent, des moyens d'entraînement, peut être prolongée notablement.
Le dessin ci-joint représente, à titre d'exemple, quelques formes d'exécution de l'objet de l'invention. Dans ce dessin:
la fig. 1 est une élévation latérale d'une pièce à main pour dentiste;
la fig. 2 est une coupe verticale longitudinale par la pièce à main représentée par la fig. 1 ;
la fig. 3 est une coupe verticale fragmentaire, agrandie, de la tête ou enveloppe de la pièce à main représentée sur la fig. 1, montrant plus particulièrement des détails de construction de celle-ci;
la fig. 4 est une coupe horizontale de la tête ou enveloppe de la pièce à main, suivant la ligne 4-4 de la fig. 3, illustrant particulièrement la relation entre les portions de talon des espaces entre aubes de turbine et les éléments antifriction des paliers, et aussi l'espace annulaire au sein duquel fonctionnent les portions périphériques des aubes de turbine;
la fig. 5 est une élévation latérale d'un bloc de col, utilisé à l'intérieur de l'extrémité de tête de la poignée de la pièce à main;
la fig. 6 est une vue, par l'arrière, du bloc de col représenté sur la fig. 5, et
la fig. 7 est une vue, par devant, du bloc de col représenté sur la fig. 6.
Si l'on considère les dessins, la pièce à main 22 est constituée par une poignée 24, moletée pour plus
de commodité en 26, et à l'extrémité de laquelle est fixée une tête ou enveloppe de turbine 28. L'extrémité de la poignée présente un coude en 30, ainsi
qu'il est usuel dans les pièces à main à angle inversé.
La tête 28 présente une cavité ou alésage à peu près cylindrique 32, qui se termine, à l'extrémité inférieure, par un trou 34, à travers lequel fait saillie l'extrémité normalement inférieure d'un axe ou
arbre de turbine 36. L'extrémité normalement infé
rieure de l'axe ou arbre de turbine 36 est supportée,
de manière à pouvoir tourner, par un palier inférieur
antifriction 38, qui possède une bague intérieure 40,
une bague extérieure 42, et des éléments antifriction maintenus lâchement, constitués par des billes 44.
L'extrémité inférieure de l'arbre 36 est logée avec
coulissement et frottement à l'intérieur de la bague
intérieure 40. La bague extérieure du palier est mon
tée sur un épaulement 46 de l'intérieur de la tête
28, et est maintenue en place sur cet épaulement par
une bague ou rondelle de serrage 48, qui est vissée
dans la cavité 32, en 50, un léger jeu 51 étant prévu
sur l'extrémité inférieure de la tête 28, en dessous
de la bague intérieure 40.
A l'extrémité supérieure de l'axe 36, un palier normalement supérieur 52 possède une bague intérieure 54 frettée sur l'extrémité supérieure de l'arbre 36. Le palier supérieur possède un jeu de billes antifriction 56 adaptées lâchement, et une bague extérieure 58 sur laquelle est fretté un anneau ou collier d'espacement 60 de hauteur légèrement supérieure à celle des bagues de palier, l'extrémité supérieure de l'anneau 60 s'étendant au-dessus des bagues de palier pour donner un jeu 61 destiné à la bague intérieure 54. En général, les paliers 38 et 52 sont similaires.
Un chapeau 62, qui est vissé en 64 dans la cavité 32, bloque l'anneau d'espacement 60 contre un épaulement annulaire 66, et sert ainsi à maintenir en place le palier assemblé 52 et l'arbre 36, et aussi pour fermer l'extrémité supérieure de la cavité 32.
Avec l'arbre 36, fait corps un rotor de turbine comprenant des aubes 68 dirigées axialement et radialement. Comme on le voit mieux sur la fig. 4, ces aubes sont courbées sur la surface antérieure 70, et possèdent une surface postérieure plate 72. Dans la forme représentée, l'arbre 36 et la turbine peuvent être fabriqués d'une seule pièce dans une matière appropriée, par exemple un métal résistant à la corrosion, et le diamètre de la turbine depuis l'extrémité d'une aube jusqu'à l'extrémité de l'aube opposée est de 7,1 mm dans des pièces à main utilisées avec succès, le rayon de courbure de la surface antérieure étant de 4,37 mm. La surface plate 72 est inclinée d'environ 12,50 par rapport au diamètre.
On a trouvé qu'une turbine présentant les proportions indiquées ci-dessus permet au gaz entrant de frapper la surface plate 72 et de se détendre contre elle, en donnant une composante maximum de force entraînant la turbine autour de son axe de rotation.
Il y a lieu de noter particulièrement, sur la fig.
4, que les talons des aubes 68 et les sommets des espaces compris entre elles, sont pratiquement en alignement axial avec les éléments antifriction tels que les billes 44 et 56. I1 semble que, grâce à cette disposition, des colonnes de gaz jaillissent sous pression en direction axiale, depuis les extrémités des sommets de ces espaces entre les aubes 68, et baignent directement les billes 44 et 56 des paliers, facilitant à la fois le refroidissement et l'amortisse ment des pièces de ; paliers.
Avec l'arbre, font corps aux extrémités opposées des aubes de turbine, un collier supérieur 74 et un collier inférieur 76. Ces colliers servent à espacer les paliers 52 et 38, respectivement, d'une distance précise par rapport aux extrémités supérieure et inférieure des aubes de turbine. Etant donné que la rondelle de serrage 48 est usinée avec précision, elle est également espacée avec précision par rapport à l'extrémité inférieure des aubes de turbine 68. Un obturateur annulaire 77, représenté sur la fig. 3, et
qui ; peut faire corps avec l'extrémité inférieure de l'anneau d'espacement 60, est maintenu en position espacée avec précision par rapport aux extrémités supérieures des aubes 68.
Les périmètres des ouvertures centrales de l'obturateur 77 et de la rondelle de serrage 48 sont, de préférence, à peu près alignés axialement avec les centres des éléments antifriction 44 et 56, dans un but qui sera expliqué.
I1 semble que les espacements immédiatement au-dessus et en dessous des aubes de turbine 68; relativement à l'obturateur 77 et à la rondelle de serrage 48 respectivement, soient des facteurs déterminants dans une certaine mesure. Dans un moteur de la grandeur indiquée, les espacements doivent être compris entre 0,125 et 0,65 mm. Si ces espacements sont trop petits, on obtient un état de choses qui gêne l'écoulement convenable du gaz moteur à travers les paliers, il en résulte un refroidissement insuffisant et on obtient un bruit rappelant une sirène, tandis que si l'espace est trop grand, il en résulte un couple insuffisant et la longueur totale de l'ensemble s'accrôît, ce qui nuit au but poursuivi qui est d'obtenir un moteur à turbine de dimension minimum, particulièrement pour l'usage dentaire intrabuccal.
Il y a lieu d'observer que, dans la construction décrite jusqu'ici, la moitié extérieure environ des aubes de turbine est confinée dans une poche annulaire 79, définie par la surface cylindrique intérieure de la cavité 32, la surface supérieure de la rondelle de serrage 48 et la surface inférieure de l'obturateur 77. Cette poche annulaire 79 sert à confiner les portions extérieures ou périphériques des aubes 68, et le gaz qui les frappe et se détend contre elles, de sorte que la majeure partie de la force développée par le gaz pendant cette détente est appliquée aux aubes de turbine de manière à engendrer un couple moteur dans l'arbre 36.
Par suite de la forme des rainures ou encoches entre les aubes 68, et de leur inclinaison plus ou moins tangentielle, il semble que la détente du gaz au sein de ces espaces produit des composantes de force qui tendent à pousser le rotor de turbine en avant. En outre, le seul échappement de ce gaz pour sortir de la cavité annulaire 79 passe par des extrémités opposées de celle-ci, par des ouvertures annulaires resserrées situées respectivement entre les périmètres des ouvertures ventrales de l'obturateur 77 et de la rondelle 48, et des colliers 74 et 76.
Le chapeau 62 est muni d'un ou plusieurs trous d'échappement de gaz 78. Ces trous permettent au gaz qui s'échappe de l'extrémité supérieure de l'espace annulaire 79 de passer entre la bague extérieure 58 et la bague intérieure 54 du palier supérieur 52, et de sortir par ce trou d'échappement 78. Cette disposition amène plusieurs avantages, car le refroidissement et le flottement des paliers sont facilités, et il semble qu'un écoulement de gaz ainsi conçu diminue la turbulence du gaz à l'intérieur de l'enveloppe. Un autre avantage d'aspiration, expliqué plus loin, en résulte aussi.
Dans l'extrémité inférieure de l'enveloppe, plusieurs orifices d'échappement de gaz 80 (de préférence trois) sont espacés uniformément, en direction circonférentielle, autour de l'extrémité inférieure de l'arbre 36, pour assurer le passage des gaz d'échappe pement entre les bagues 40 et 42 du palier inférieur 38, en balayant les éléments antifriction 44, de la façon et avec les effets qui ont été décrits à propos du trou 78 dans le chapeau 62 pour le palier supérieur 52. En outre, les orifices 80 sont légèrement inclinés vers l'axe de l'arbre 36, de manière à diriger le gaz d'échappement contre le bout d'un outil qui, normalement, est porté par l'extrémité inférieure de l'axe de turbine.
Si l'on considère les fig. 2, 3, 4 et 5, une portion de la poignée voisine de l'enveloppe de turbine est formée d'un tube métallique mince 82 dans l'extrémité duquel un bloc de col 84 est inséré. Le bloc de col présente un alésage axial 86 dont l'extrémité extérieure sert d'ajutage pour diriger continuellement un jet de gaz tangentiel contre les portions extérieures des aubes de turbine 68 quand la turbine est en fonctionnement.
Il y a lieu de noter que l'alésage 86 est disposé de manière à diriger le jet de gaz pour qu'il frappe les faces 72 des aubes 68, à peu près sous l'angle tangentiel indiqué sur la fig. 4, relativement à l'axe du rotor de turbine et à peu près à mi-chemin des extrémités des aubes de turbine, de sorte que le gaz s'échappe à peu près dans une égale mesure par des extrémités opposées des espaces compris entre les aubes et à travers les paliers. Le centre du courant de gaz est situé à l'intérieur de la trajectoire circulaire décrite par les extrémités des aubes 68, de sorte que le courant se détend dans toutes les directions contre les faces 72 des aubes lorsqu'il les touche, fournissant ainsi un couple maximum du rotor de turbine.
Une encoche 88 est pratiquée dans le bloc de col, du côté diamétralement opposé à l'alésage 86, pour laisser échapper radialement du gaz de l'enveloppe de turbine dans la poignée. Comme on le verra spécialement par la fig. 7, l'encoche 88 est de section transversale notablement supérieure à celle de l'alésage 86, de sorte que la pression du gaz qui s'échappe dans la cavité 32 ; peut facilement s'y détendre, et que le gaz détendu s'échappe principalement de la cavité 32 par l'encoche 88, tandis qu'une partie sort par le trou 78 du chapeau et les trous 80 de l'enveloppe 28.
Il y a lieu d'observer qu'avec l'espacement entre l'alésage d'admission 86 et l'encoche d'échappement 88, le gaz parcourt un peu moins de 3600 autour de la tête 28 avant de s'échapper, de sorte que la plus grande proportion d'énergie contenue dans le gaz en détente à l'intérieur de l'enveloppe est utilisée pour actionner la turbine avant que le gaz ne s'échappe.
Le bloc de col présente un alésage supplémentaire 90, qui ne parcourt pas complètement le bloc de col jusqu'à la cavité annulaire 79, mais communique, à son extrémité antérieure, avec un alésage incliné 92 dans un manchon 94 (voir fig. 3) servant à faire passer de l'eau qui doit être dirigée contre l'outil. Le bloc de col 84 présente, en outre, un alésage 87 qui s'étend vers l'intérieur depuis l'extré- mité arrière, et qui est plus grand que l'alésage d'admission de gaz 86 et communique avec celui-ci. Les tubes 96 et 98 sont brasés respectivement dans les alésages 87 et 90, pour la liaison respective avec les sources de gaz et d'eau, et les extrémités extérieures de ces tubes atteignent et traversent respectivement l'extrémité arrière de la poignée 22, pour se raccorder à des tubes flexibles qui amènent respectivement le gaz et l'eau à ces tubes.
L'orifice d'admission 86 a un diamètre de
1,18 mm, le trou 78 du chapeau 62 a un diamètre de 0,79 mm, les trois trous 80 ont chacun 0,53 mm de diamètre, et la différence de diamètre entre l'extrémité d'emboîtement de l'arbre 36 et le trou 34 de l'enveloppe 28 destiné à cet arbre, est de 0,08 mm. Tous ces trous, orifices et espaces annulaires autour de l'extrémité d'emboîtement de l'arbre 36 sont des ouvertures par lesquelles il s'échappe du gaz.
La pièce à main est reliée par l'intermédiaire de soupapes appropriées, aux sources d'eau et d'air qui existent normalement dans un cabinet de dentiste.
La source d'air est, de préférence, sous 1,4 à 2,1 kg/cm2. L'air descend le tube 96 et sort par l'alésage du bloc de col 84, qui forme ajutage. L'air sort sous forme de jet à haute pression, dirigé tangentiellement contre les aubes 68 alignées axialement du rotor de turbine, comme on le voit sur la fig. 4. L'air se détend contre les surfaces plates 72 du rotor de turbine et réagit contre l'alésage cylindrique de l'enveloppe, pour actionner le rotor de turbine à une grande vitesse jusqu'à 400 000 t/min et au-dessus, suivant le réglage de la soupape d'admission d'air du système de commandes, ou suivant l'ajustement opéré, à la main ou au pied, par le dentiste. La détente du gaz se poursuit sur près de 3600 autour de l'intérieur de l'enveloppe.
La zone de détente est limitée à la poche annulaire 79 formée par l'alésage de l'enveloppe, la rondelle de serrage 48 et l'obturateur annulaire 77, ou bien le palier supérieur et l'anneau d'espacement dans le cas où l'on n'a pas prévu d'obturateur 77.
Entre temps, l'excès d'air sort des extrémités supérieure et inférieure des espaces entre aubes de turbine 68, dans leur région de talon, et passe par des ouvertures annulaires resserrées pour arriver sur les éléments antifriction entre les bagues extérieures et intérieures des paliers 44 et 52. Des vapeurs d'huile de graissage sont, par cette occasion, projetées sur les parties voisines des paliers pour assurer la lubrification de ces derniers.
Le gaz quittant les paliers après avoir passé au travers, sort par l'ouverture 78 du chapeau et aussi par les orifices d'échappement 80 de la partie inférieure de l'enveloppe et, de ces orifices, le gaz est dirigé contre l'outil en vue du refroidissement.
Une partie appréciable de l'air amené à la chambre de la turbine s'échappe successivement par l'encoche 88 et l'ouverture d'échappement à resserrement 106, cette dernière maintenant la pression de gaz au sein de la chambre de turbine, relativement à la pression d'entrée, au niveau qui, d'après les constatations, donne un couple suffisant, de sorte qu'une pression de travail suffisante d'environ 0,45 kg peut être exercée par un outil sur une surface de dent, par exemple. Même si un outil devait être freiné par cette pression, il n'en résulte aucun inconvénient pour l'entraînement.
En outre, le fait de donner une pression de travail relativement faible est un facteur de sécurité permettant d'empêcher une action fortuite ou accidentelle de l'outil, et pourtant, cela n'empêche pas de réaliser un forage rapide, même à travers un émail de dent dur, du fait des très grandes vitesses de rotation.
Bien qu'ils fonctionnent à des vitesses exceptionnellement élevées, les paliers, qui sont les seules parties de la pièce à main sujettes à l'usure, fonctionnent à froid et sont légèrement lubrifiés à l'huile, de sorte que ces paliers ont une durée de plusieurs mois.
Bien que l'on envisage d'introduire dans le gaz d'admission une quantité limitée d'huile de graissage, par exemple d'huile minérale légère, de préférence sous la forme d'un brouillard, et bien qu'une portion de ce gaz sorte par les orifices 80 et le trou 78 de l'enveloppe 28, pour arriver dans la cavité buccale du patient, ce volume de gaz est minime en comparaison de celui qui sort par l'extrémité extérieure de la poignée de la pièce à main. D'autre part, étant donné que la quantité d'huile nécessaire au graissage des paliers est très petite, on peut voir qu'au maximum il n'entrera qu'une quantité infinitésimale de cette huile dans la cavité buccale du patient.
L'huile minérale destinée à ce graissage est très efficace, peu coûteuse, et se trouve facilement en qualité conforme à la pharmacopée, de sorte que l'usage de cette huile pour graisser les paliers de la pièce à main ne nuira aucunement au patient.
L'huile de maïs est aussi un lubrifiant utile.