Bille composite légère de roulement antifriction et son procédé de fabrication
La présente invention concerne une bille composite légère de roulement antifriction, caractérisée en ce qu'elle comprend un noyau sphérique en matière céramique à base d'alumine et une enveloppe sphérique creuse en acier en poudre frittée entourant le noyau en ajustage forcé avec ce dernier.
Les grosses billes de roulements antérieures, telles que celles qui sont utilisées pour des ensembles de roulements antifriction de gros appareils, par exemple, des fusées d'engins téléguidés et de véhicules spatiaux, sont très lourdes et non seulement utilisent un poids précieux dans un tel véhicule, mais également sont soumises à des forces centrifuges élevées et à une inertie et à une force vive excessives. En outre, ces grosses billes de roulements antérieures, à cause de leur grand diamètre et, par conséquent, du grand volume d'acier, possèdent également une élasticité très faible.
La bille composite de la présente invention élimine ces inconvénients et présente l'avantage d'avoir un poids notablement réduit, en raison du fait que si le noyau en matière céramique sphérique est fait en alumine (oxyde d'aluminium Ale03), il ne possède qu'à peu près le tiers du poids d'une bille en acier de la même dimension. A cause de cette réduction de poids, cette bille composite légère réduit dans une grande mesure les forces centrifuges s'exerçant pendant son service et possède également une inertie et une force vive notablement réduites. A cause de la plus grande souplesse de la construction composite, cette bille possède également une élasticité beaucoup plus grande qu'une bille en acier massif du même diamètre.
Les avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, faite en regard des dessins annexés et donnant à titre explicatif, mais nullement limitatif, une forme de réalisation conforme à l'invention.
Sur ces dessins,
la fig. 1 est une coupe verticale centrale schématique à travers la cavité de matrice d'une presse à former des briquettes remplie d'acier en poudre et avant le formage de la briquette;
la fig 2 est une vue analogue à celle de la fig. 1, mais montrant la position du poinçon et de la matrice après le formage de la briquette;
la fig. 3 est une coupe verticale centrale à travers deux briquettes en acier en poudre hémisphériques, creuses, prêtes pour être assemblées;
la fig. 4 est une élévation latérale du noyau en matière céramique sphérique dure de la bille composite légère de roulement de la présente invention;
la fig. 5 est une coupe verticale centrale à travers la cavité de la matrice d'une presse à former des briquettes contenant le noyau en matière céramique de la fig. 4 à l'intérieur des deux briquettes en acier en poudre hémisphériques creuses de la fig. 3;
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la fig. 6 est une vue analogue à celle de la fig. 5, mais montrant la briquette composite de la fig. 5 après une compression supplémentaire qui a désagrégé les dentelures de rebords opposées des briquettes hémisphériques creuses;
la fig. 7 est une coupe verticale centrale schématique à travers les deux moitiés de matrice d'une presse à marteler après que la bille composite légère frittée de roulement de la fig. 6 a été soumise à une opération de martelage en vue d'augmenter sa densité;
la fig. 8 est une élévation latérale de la bille composite légère de roulement antifriction de la fig. 7, après qu'elle a été polie pour lui donner son fini à une sphéricité exacte;
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la fig. 9 est une coupe verticale centrale schématique à travers la presse à former des briquettes des fig. 1 et 2, les parties étant dans la position de la fig. 2, et
la fig. 10 est une vue par-dessus suivant la ligne 10-10 de la fig. 3.
En se reportant en détail aux dessins, la fig. 8 montre une bille de roulement antifriction légère composite, indiquée de façon générale en 10 et réalisée par son procédé comme consistant de façon générale en un noyau de matière céramique sphérique sensiblement rigide 12 (fig. 7) entouré d'une enveloppe sphérique creuse 14 d'acier en poudre frittée qui, à son tour est composé initialement d'un ensemble 15 (fig. 3) d'enveloppes en partie sphériques s'ajustant bord à bord; de préférence, de deux moitiés d'enveloppes hémisphériques 16 traitées suivant le procédé décrit ci-dessous. De préférence, la bille ou noyau 12 est faite en une matière céramique, telle que l'alumine (oxyde d'aluminium Au208) qui a une pureté élevée.
Ces billes en matière céramique sont réalisées par des procédés et appareils classiques connus des personnes expérimentées dans la technique de la céramique et sont vendues dans le commerce.
Une telle bille en matière céramique poreuse d'alumine est très légère, malgré qu'elle a une résistance extrêmement élevée. Sa résistance à la tension est de 1100 bars environ, sa résistance à la compression de 12500 bars environ et sa résistance à la flexion de 2400 bars environ. Une bille en matière céramique vernissée analogue de stéatite (silicate de magnésium hydraté) a une résistance à la tension de 630 bars environ, une résistance à la compression de 5600 bars environ et une résistance à la flexion de 2000 bars environ.
Entre-temps, chacune des moitiés d'enveloppe 16 a été préparée de la façon représentée sur les fig. 1, 2 et 9.
On a recours à une presse de formage de briquettes appropriée classique 17 utilisant une table 18 à matrice et un poinçon supérieur 20 et un poinçon inférieur 22 en acier approprié. De préférence, le poinçon supérieur 20 consiste en un élément massif interne 19 et en un élément tubulaire externe 21. La matrice 18 présente une cavité 24 de matrice, dont la partie inférieure 26 est hémisphérique et la partie supérieure 28 est cylindrique et a le même diamètre, reliée à la partie inférieure 26 selon une ligne limite circulaire 30. Dans la cavité 24 de la matrice débouche un alésage axial ou radial 32 dans lequel le poinçon inférieur 22 est monté pour être animé d'un mouvement de va-et-vient. Le poinçon inférieur 22 présente une surface supérieure concave 34 qui a le même rayon de courbure que la partie inférieure hémisphérique 26 de la cavité 24 de la matrice.
La fig. 9 montre la presse 17 plus en détail.
Le poinçon inférieur 22 est monté sur un piston inférieur 23, dont le poussoir à simple effet 25 est animé d'un mouvement de va-et-vient dans l'alésage 27 d'un cylindre hydraulique inférieur 29 renfermant un orifice 31 de passage de fluide. Ceci permet au poinçon inférieur 22 de monter ou de descendre pour commander le transfert de l'acier en poudre dans la cavité 24 de la matrice. La course ascendante du poussoir 25 et en conséquence le remplissage de la cavité 24 de la matrice de métal en poudre, sont limités par une butée filetée tubulaire à rebord 33 vissée dans la tête alésée et taraudée d'une façon correspondante 35 du cylindre inférieur.
Les parties d'extrémité opposées du piston 23 et de la table 18 de la matrice sont alésées et fraisées pour recevoir des tiges inférieures parallèles à rebords 37 et leurs ressorts de compression de support 39, respectivement. Les extrémités supérieures des tiges inférieures 37 sont au contact des extrémités inférieures de tiges poussoirs supérieures 41, dont les extrémités supérieures sont vissées dans le piston supérieur alésé et taraudé d'une façon correspondante 43 et dirigées vers le bas à partir de ce dernier. L'élément interne massif 19 du poinçon supérieur 20 a un rebord sur son extrémité supérieure et est poussé vers le bas dans l'élément externe fraisé 21 par un ressort de compression 45 monté dans le piston supérieur 43.
Ce dernier est élevé et abaissé lors des courses de retrait et de compression respectivement effectuées par un poussoir hydraulique classique disposé audessus de lui (non représenté) pouvant être animé d'un mouvement de va-et-vient dans un cylindre hydraulique disposé dans la tête de la presse (également non représenté).
L'élément externe 21 du poussoir supérieur 20 présente une surface externe cylindrique 36 ayant un diamètre approprié pour s'ajuster à force mais de façon coulissante avec la partie cylindrique supérieure 28 de la cavité 24 de la matrice qui est destinée à recevoir une charge 38 d'un métal de roulement en poudre approprié, tel qu'un acier de roulement en poudre.
L'extrémité inférieure annulaire 40 de l'élément externe 21 du poinçon supérieur 20 présente des ondulations ou dentelures 42 afin de former les dentelures obliques correspondantes 56 sur l'enveloppe 16 (fig. 10) et une partie hémisphérique interne 44 de son élément interne 19 ayant une surface hémisphérique 46 à peu près du diamètre exigé pour la surface interne 50 de la moitié de briquette 16 de l'enveloppe, dont la surface externe 48 a une courbure qui correspond à la partie de cavité hémisphérique inférieure 26 de la matrice et de la surface supérieure 34 du poinçon inférieur 22.
Pour mettre sous forme de briquette chacune des enveloppes hémisphériques 16, on fait monter le poinçon inférieur 22 dans son alésage 32 jusqu'à ce que sa surface sphérique concave supérieure 34 occupe une position dans la cavité 24 de la matrice destinée à y laisser le volume désiré pour la charge d'acier en poudre 38. On remplit ensuite la cavité 24 de la matrice de la charge d'acier en poudre 38 au moyen d'un sabot de remplissage classique (non représenté). On actionne ensuite la presse 15 à former des briquettes pour faire descendre le poin çon supérieur 20 dans la cavité 24 de la matrice 18, qui comprime la charge 38 et en même temps oblige le poinçon inférieur 22 à céder et à descendre en réponse à la pression qui lui est appliquée par le poinçon supérieur 20 par l'intermédiaire de la charge 38 qui est comprimée et répartie de nouveau dans la cavité 24 de la matrice.
Le poussoir hydraulique 25 sur lequel le piston inférieur 23 et le poinçon inférieur 22 sont montés descend en réponse à une libération à pression réglée du fluide hydraulique par l'orifice 31.
Lorsque l'élément externe tubulaire 21 du poinçon supérieur 20 descend à travers la partie cylindrique 28 de la cavité 24 de la matrice, la partie hémisphérique 46 de son élément interne cylindrique massif 19 est pressée vers le bas contre la partie centrale de la charge de métal en poudre 38 pendant que la partie annulaire dentelée 40 comprime la partie externe annulaire de la charge 38 et en même temps imprime sur celle-ci la surface de rebord annulaire dentelée obliquement 56 (fig. 10). Dans l'intervalle, la surface hémisphérique 26 de la matrice et la surface inférieure 34 et la surface supérieure 46 des poinçons impriment les surfaces hémisphériques externe et interne 48 et 50, respectivement, sur la charge (fig. 3) ainsi qu'une zone cyclindrique annulaire étroite 51 sur celle-ci à proximité du rebord 56.
Lorsque l'opération de formage de briquette est terminée, l'enveloppe creuse hémisphérique 16 ainsi réalisée a une densité de 5,2 à 5,4 environ.
Deux briquettes 16 sont préparées pour chaque bille de roulement. On place ensuite la bille 12 dans l'évidement hémisphérique 50 formé dans une des enveloppes hémisphériques 16 et on superpose l'autre enveloppe 16 de la paire sur cette dernière (fig. 5), les surfaces de rebords dentelées entrecroisées 56 étant en contact les unes avec les autres. On place ensuite cet ensemble 58 (fig. 5) dans la cavité 59 d'une matrice 60 d'une presse 62 (fig. 5 et 6) entre des poinçons supérieur et inférieur 64 et 66 renfermant des cavités hémisphériques supérieure et inférieure 68 et 70 ayant un diamètre qui correspond à la surface externe 48 de chacune des enveloppes hémisphériques 16. On actionne ensuite la presse 62 pour amener les poinçons 64 et 66 ensemble sur l'ensemble 58, en le comprimant et de façon à augmenter la densité des enveloppes 16 de 5,2 à 6,2 environ.
En même temps, les surfaces dentelées entrecroisées 40 des rebords annulaires des demi-enveloppes 16 sont comprimées les unes contre les autres avec une force telle que les dentelures 42 sont écrasées sous forme d'une couche particulaire intermédiaire 72. On fritte ensuite l'ensemble ainsi préparé 74 dans un four de frittage classique à des températures et pendant des périodes de temps de frittage classiques.
On chauffe et place alors l'ensemble fritté 74 qui est alors à peu près complètement réuni en un bloc unitaire entre les cavités hémisphériques à diamètre plus petit 76 et 78 des matrices à marteler supérieure et inférieure 80 et 82, respectivement, d'une presse à marteler 84 (fig. 7) pendant qu'il est dans un tel état chauffé. Cette opération de martelage à chaud est réalisée pour solidifier presque complètement la partie sphérique creuse 86 composée des enveloppes hémisphériques rendues plus denses et frittées 16, de sorte que la densité finale obtenue par le martelage dépasse 98 o/o de la densité théorique massive. Pendant ce temps, les zones cylindriques aplaties 51 s'étendent équatorialement et empêchent ainsi la formation de bavures.
La bille martelée et rendue plus dense 88 enlevée de la presse à marteler 84 est ensuite traitée à la chaleur par des procédés et appareils de traitement thermique classiques pour la durcir et est meulée et polie pour lui donner un fini à des tolérances et à fini de bille de roulement, de façon qu'elle devienne la bille légère composite 10 de roulement.