FR1464929A - Appareil de soudure par frottement - Google Patents

Description

Appareil de soudure par frottement.
Cette invention est relative à des appareils pour souder par frottement une pièce de travail à une autre en provoquant une rotation relative entre les pièces de travail et en même temps en exerçant une charge d'extrémité de sorte que le frottement créé chauffe les parties opposées des pièces de travail à un point auquel la soudure peut être effectuée. Lorsque le matériau aux faces des pièces de travail atteint la haute température nécessaire, et est généralement plastique ou fondu, la rotation relative est interrompue et, en refroidissant, les parties deviennent alors soudées l'une à l'autre.
Des charges d'extrémité très considérables sont nécessaires dans de telles opérations, et il a été découvert qu'il est souhaitable de fournir un accroissement rapide et substantiel supplémentaire de la charge d'extrémité à l'instant de soudure.
Les moyens pour appliquer la charge d'extrémité devraient être susceptibles de se déplacer sur une distance appréciable dans la direction de la charge, étant donné que durant les étapes initiales du processus lorsque les pièces de travail sont chauffées et avant que la soudure proprement dite soit formée du matériau fondu peut s'écouler à partir des faces d'assemblage et il y une contraction dans la longueur totale. En outre, les moyens pour exercer la charge .d'extrémité peuvent commodément être utilisés également pour fournir l'avance et le retrait d'un mandrin contenant une des pièces de travail, qui requiert une course opératoire considérable.Ces conditions, fournir une charge importante et un grand domaine de mouvement, sont, dans une certaine mesure, en contradiction, et c'est un objet de la présente invention de fournir un moyen de charge perfectionné pour un appareil de soudure par frottement qui sera susceptible d'exercer une charge d'extrémité substantielle sur un domaine de mouvement et procurera également un accroissement substantiel et très rapide dans la charge d'extrémité lorsque requis.
Selon l'invention, un appareil pour souder par frottement une pièce de travail à une autre comprend des moyens pour provoquer une rotation relative entre les pièces de travail et des moyens de charge pour exercer une charge axiale sur une des pièces de travail par rapport à l'autre, les moyens de charge comprenant un vérin hydraulique dans un cylindre hydraulique principal et un multiplicateur de pression pneumatique pour accroître rapidement la charge exercée par le vérin à un instant déterminé, le multiplicateur de pression pneumatique comprenant un piston à air disposé pour être soumis à une pression pneumatique dans un cylindre à air et relié à un piston hydraulique de surpuissance dans une chambre contenant un fluide hydraulique qui est reliée au cylindre principal,de sorte qu'une augmentation dans la pression pneumatique provoque une augmentation brusque de la pression hydraulique exercée sur le vérin.
On comprendra qu'étant donné que la viscosité de l'air est extrêmement basse, il est possible d'admettre l'air sous pression très rapidement au piston à air, de sorte que le piston hydraulique de surpuissance réagit rapidement et provoque un accroissement très rapide dans la pression hydraulique.
De préférence, le diamètre efficace du piston à air est plus grand que celui du piston hydraulique de surpuissance et de préférence également le diamètre efficace du piston hydraulique de surpuissance est moindre que le diamètre du vérin hydraulique.
Dans une forme de réalisation particulièrement préférée, le vérin hydraulique, le piston à air et le piston hydraulique de surpuissance sont disposés en ligne.
Selon une caractéristique préférée de l'invention, l'appareil comprend des moyens d'amortissement hydrauliques opératoires à une ou chaque extrémité de la course du vérin hydraulique principal pour décélérer le vérin.
Les moyens d'amortissement peuvent comprendre un organe disposé pour pénétrer dans -un évidement à extrémité ouverte correspondant lorsque le vérin approche de l'extrémité de sa course pour enfermer une masse de fluide hydraulique et comprenant des moyens pour fournir un passage d'échappement limité du fluide à partir de l'évidement.
Usuellement, les moyens de charge agiront par un montage de palier de butée sur un mandrin rotatif pour maintenir une des pièces de travail. Comme indiqué ci-dessus, la poussée exercée sera relativement considérable durant tout le processus et selon une autre caractéristique préférée de l'invention, le montage de palier de butée comprend deux paliers de butée du type à rouleau agissant en parallèle entre la monture et le mandrin rotatif, et chaque palier de butée du type à rouleau est associé avec un dispositif cylindre-piston hydraulique, les cylindres des deux dispositifs étant reliés réciproquement pour équilibrer les charges exercées par les deux paliers de butée.
L'invention est particulièrement applicable à un appareil de soudure par frottement comme défini, comprenant un second moyen de charge comprenant également un vérin hydraulique et un multiplicateur de pression pneumatique disposés en ligne avec les premiers moyens de charge, mais espacés de ceux-ci, les deux moyens de charge agissant vers l'intérieur l'un vers l'autre.
Cette disposition permet à deux pièces de travail d'être mises en rotation simultanément, soit dans la même direction, soit dans des directions opposées, et facilite également des opérations dans lesquelles une troisième pièce de travail centrale est maintenue stationnaire entre deux pièces de travail d'extrémité rotatives.
L'invention peut être mise en u̇vre de différentes façons et une forme de réalisation spécifique avec une modification de celle-ci sera maintenant décrite à titre d'exemple en référence au dessin annexé, dans lequel : La figure 1 est une élévation frontale .d'une machine à souder par frottement selon l'invention; La figure 2 est une vue en plan de la machine; La figure 3 est une vue en bout à plus grande échelle de l'unité support de butée mobile, telle que vue dans la direction de la flèche A de la figure 1; La figure 4 est une vue en élévation frontale en coupe à travers l'unité support de butée suivant la ligne IV-IV de la figure 3; La figure 5 est une vue en élévation frontale en coupe à plus grande échelle à travers le montage de paliers de butée équilibrés hydrauliquement, selon la ligne V-V de la figure 3;La figure 6 est une vue en élévation frontale en coupe à plus grande échelle à travers l'unité de poussée hydro-pneumatique, avec le boîtier enlevé; La figure 7 est une vue en coupe selon la ligne VII-VII de la figure 6; et La figure 8 est une vue en élévation frontale d'une forme de réalisation modifiée de l'invention comprenant deux supports de palier opposés, des paliers de butée et des unités de poussée hydropneumatiques.
Dans le premier exemple l'invention est appliquée à une machine de soudure par frottement conçue pour créer un joint soudé entre deux pièces de travail tubulaires de même section transversale. La machine comprend un socle 10 qui porte à une extrémité un montage de fixation de porte-pièce stationnaire pour supporter une des pièces de travail tubulaire 15 avec son axe horizontal. Cette fixation comprend deux paliers de centrage rotatifs espacés 11, 12, un dispositif de serrage 13 et une unité de poussée stationnaire 14.A l'autre extrémité du socle est prévu un moyen pour supporter un mandrin hydraulique rotatif 16 pour maintenir la deuxième pièce de travail coaxiale avec la première pièce de travail, des moyens d'entraînement rotatifs pour faire tourner le mandrin, et des moyens de poussée pour exercer une charge d'extrémité sur le mandrin vers la fixation stationnaire 11.
Le mandrin hydraulique 16 est fixé sur un arbre 17 (voir fig. 5) monté dans des paliers dans un bâti support de palier 18 muni de guides longitudinaux 19 sur sa surface inférieure qui engagent des chemins de guidage correspondants sur la surface supérieure du socle 10 de façon à être déplaçable vers et à l'écartement de la fixation stationnaire.
Le bâti-support de palier comprend également un montage de palier de butée double équilibré hydrauliquement disposé pour transmettre une charge axiale à partir du bâti-support 18 à l'arbre 17 du mandrin. Ce montage de palier comprend deux unités de palier de butée à rouleaux sphériques 20, 21 espacés l'un de l'autre dans une direction axiale et chacun agissant sur un rebord de butée 22, 23 porté par l'arbre de mandrin. Le chemin de roulement externe de chaque palier de butée est engagé par une série de pistons hydrauliques 25 espacés circonférentiellement monté dans des cylindres axiaux 26 dans le bâti de support de palier. Les deux séries de cylindres sont reliées respectivement à des galeries hydrauliques annulaires, les deux galeries étant également reliées réciproquement par un passage hydraulique 27.Des moyens peuvent être prévus pour admettre du fluide hydraulique sous pression aux deux galeries reliées réciproquement à travers un passage 28. Des ressorts de compression 29 sont prévus agissant sur les chemins de roulement externes des paliers par le piston 25 pour assurer que les paliers demeurent dans leur position assemblée sous pré-charge, quelle que soit la pression hydraulique. Ainsi, les deux paliers agissent en parallèle et sont équilibrés hydrauliquement de sorte que la charge exercée par un palier provoque une réaction correspondante exercée par la liaison hydraulique 27 sur l'autre palier. Chaque palier absorbera ainsi automatiquement sa part voulue de la double poussée indépendamment de petites tolérances de fabrication.Le montage de palier complet est enfermé dans un boîtier 30 muni d'ailettes de refroidissement 31 et présentant des passages d'amenée d'huile 32 pour graisser les paliers. A l'extrémité du boîtier opposée au mandrin 16 est un patin de poussée 33 par lequel une poussée axiale est exercée comme décrit ci-dessous.
Le bâti-support de palier 18 comprend également un boîtier d'engrenage 35 renfermant un engrenage hélicoïdal double 36 attaché à l'arbre de mandrin 17 et un second engrenage 37 (voir fig. 4) engrenant avec le premier engrenage 36 et relié à un arbre menant 38 s'étendant parallèlement à l'arbre de mandrin à l'écartement de la fixation stationnaire. Sur le côté du bâti-support de palier 18, opposé à la fixation stationnaire 14, est prévue une unité de poussée hydro-pneumatique 40 ayant un boîtier fixé rigidement à un lourd montant 41 fixé au socle 10 de la machine.Ce boîtier comprend un cylindre de vérin hydraulique principal 42 (voir fig. 6) contenant un vérin 43 hydraulique à double action avec une tige de piston 44 qui passe à travers un joint étanche 45 dans l'extrémité du cylindre adjacent à la fixation stationnaire 11 et est relié de façon rigide au patin de poussée 33 à l'extrémité adjacente du bâti-support de palier mobile 18. Des raccords de pression hydrauliques 46, 47 sont prévus pour admettre le fluide hydraulique sous pression sélectivement aux extrémités opposées de ce cylindre de vérin 42 pour faire se déplacer le bâti-support 18 et le mandrin 16 vers à à l'écartement de la fixation stationnaire 11.
L'extrémité arrière du cylindre de vérin 42 est reliée rigidement à un organe de paroi 48, et sur le côté arrière de cet organe de paroi est monté rigidement un cylindre de piston à air 49 de diamètre quelque peu plus grand que le cylindre du vérin principal 42. Ce cylindre de piston à air contient un piston à air 50 relié à une courte tige de piston 51 qui constitue un piston hydraulique de surpuissance et glisse dans un forage central 52 s'étendant à travers l'organe de paroi 48. La tige de piston à air 51 est de diamètre considérablement plus petit que le piston de vérin hydraulique principal 43.
L'extrémité du vérin hydraulique principal 43 qui est adjacente à l'organe de paroi 48 est fraisée pour ménager un évidement 53 et un court ergot 54 sur l'extrémité adjacente du piston de vérin est disposé pour pénétrer dans le forage central 52 dans l'organe de paroi lorsque le vérin est dans sa position la plus arrière comme montré sur la figure 6. Le raccord de pression hydraulique 47, à cette extrémité du cylindre de vérin, pénètre radialement à travers l'organe de paroi 48 dans le forage central 52.Une série de forages radiaux 55 s'étendent vers l'extérieur à partir d'un point central dans le forage et communiquent avec l'extrémité arrière du cylindre de vérin par des soupapes à billes à non retour 56 pour empêcher le fluide de passer dans la direction inverse à partir de l'évidement fraisé 53 dans la partie centrale du forage 52 : d'autres forages 57 contiennent des réducteurs réglables 58 dans des buts d'amortissement comme expliqué ci-dessous.
En fonctionnement, le fluide sous pression est admis par le raccord 47 à l'extrémité arrière du vérin hydraulique 43 pour faire que le piston de vérin 44 force le bâti de support de palier 18 et le mandrin hydraulique 16 vers la fixation stationnaire 11. Le vérin hydraulique 43 est lui-même capable d'exercer une poussée allant jusqu'à 20 000 livres, qui est suffisante pour l'étape de préchauffage initiale, et l'étage de décapage du processus de soudure par frottement. Au cours du décapage , les faces opposées des deux pièces de travail deviennent fondues ou plastiques et du métal s'écoule à partir des deux faces de sorte qu'il y a une contraction de la longueur totale. Le vérin 43 en conséquence continue son mouvement vers l'avant à faible vitesse.A un instant prédéterminé, qui peut être commandé automatiquement sur une base de temps par exemple ou suivant la contraction en longueur, la rotation du mandrin hydraulique est très rapidement arrêtée (comme décrit cidessous) et approximativement au même instant une augmentation rapide dans la charge d'extrémité est appliquée. Cette augmentation dans la charge d'extrémité est créée en admettant de l'air sous haute pression à travers un passage 60 à l'extrémité arrière du cylindre de piston à air 49 qui exerce très rapidement .une forte poussée dans la direction avant sur le piston de surpuissance 51 qui repose à l'intérieur du forage 52 dans l'organe de paroi.
En ce point, le vérin hydraulique 43 est en une position intermédiaire dans le cylindre de vérin 42 et le court ergot 54 à son extrémité arrière est hors du forage 52. La cavité de forage 52, qui est remplie avec un fluide hydraulique, est ainsi en communication ouverte avec le fluide à l'extrémité arrière du cylindre de vérin 42. La poussée rapide appliquée au piston de surpuissance 51 crée une augmentation quasi-instantanée de la pression hydraulique dans le cylindre 42 qui, ainsi, applique un choc à la face arrière du vérin hydraulique 43 et continue à maintenir cette pression accrue aussi longtemps que la pression d'air est appliquée à la face arrière du piston à air 50.La pression hydraulique résultante à l'extrémité arrière du cylindre de vérin 42 peut être de l'ordre de 2 400 livres par inch carré (170 kg/cm ), créant une poussée axiale de l'ordre de 30 000 livres.
Des moyens d'amortissement hydrauliques sont prévus pour amortir le mouvement du vérin hydraulique 43 aux deux extrémités de sa course. A cet effet, l'extrémité avant du cylindre de vérin hydraulique 42 est prévue avec un évidement annulaire 61 entourant le piston de vérin et communiquant avec le raccord de pression hydraulique adjacent 46. La tige de piston 44 est munie d'une partie légèrement agrandie 62 adjacente au piston 43 avec une extrémité avant conique qui pénètre dans l'évidement annulaire lorsque le vérin approche sa position avant. Le fluide est par conséquent enfermé à l'extrémité avant du cylindre de vérin, et un passage d'échappement 63 comprenant un réducteur 64 est prévu pour permettre à ce fluide de s échapper à une vitesse commandée à partir de l'évidement annulaire, de façon à décélérer le vérin.Pour permettre au fluide de rentrer dans l'évidement librement au début de la course de retour, un second passage 70 est prévu contenant une soupape de retenue à bille 71. De façon analogue, à l'extrémité arrière de la course du vérin 43, le court ergot 54 pénètre dans le forage 52 dans l'organe de paroi 48 et le fluide enfermé à l'extrémité arrière de l'ergot peut s'échapper au-delà du réducteur 58. Le fluide peut entrer librement au .début de la course avant à travers le passage de by-pass 55 et la soupape de retenue 56.
Pour rendre le dispositif amortisseur à l'extrémité avant du vérin non opératoire à l'instant où le piston à air est actionné, un autre passage de by-pass 75 (fig. 7) est prévu à l'extrémité avant du cylindre de vérin hydraulique, ce passage étant commandé par une soupape 76 qui est actionnée par un servopiston pneumatique 77 et ouvre simultanément avec l'admission d'air comprimé à travers le passage 60 au cylindre de piston à air 42.
Les moyens pour entraîner et rapidement arrêter la rotation du mandrin 16 comprennent de préférence un moteur électrique 65 entraînant une unité combinée de moteur hydraulique et de pompe 66 qui, à son tour, est couplé à l'arbre d'entraînement 38 à travers des engrenages de transmission dans un boîtier 67 à l'extrémité de la machine. Soit le moteur hydraulique, soit la pompe ou les deux est du type à déplacement variable et de façon commode du type à plateau flottant qui peut être rapidement réglé à une position de déplacement nul, de sorte que l'arbre de sortie 68 de l'unité est amené à un arrêt rapide. La vitesse de rotation du mandrin 16 durant le pré-chauffage initial et les étapes de décapage est de l'ordre de 4 000 tours par minute.
Dans la seconde forme de réalisation illustrée sur la figure 8, la machine possède deux portepièces rotatifs à ses extrémités opposées, et un portepièce stationnaire au centre. Ceci permet à deux pièces de travail externes d'être soudées simultanément à une pièce de travail intermédiaire par exemple deux armatures de joint universel sur les extrémités opposées d'un arbre d'hélice.
Chacun des porte-pièces rotatifs comprend une unité combinée de palier de butée et d'engrenage 80 analogue à celle illustrée sur les figures 3, 4.
et 5, et une unité de poussée hydro-pneumatique 81, analogue à celle illustrée sur la figure 6. Un moteur 82 entraîne un arbre 83 qui s'étend sur toute la longueur de la machine et entraîne les deux mandrins rotatifs 8-1. en synchronisme. Le porte-pièce central comprend un couple de paliers de centrage rotatifs 85 pour porter la pièce de travail intermédiaire co-axialement avec les mandrins rotatifs, et un couple de dispositifs de serrage 86 qui maintiennent la pièce de travail stationnaire au cours des étapes de chauffage initial. A l'instant de soudure, les unités de poussée 81 accroissent la charge d'extrémité sur chaque mandrin rotatif, et les dispositifs de serrage 86 sont libérés, permettant ainsi à la pièce de travail intermédiaire de tourner avec les deux pièces de travail d'extrémité, qui sont ainsi simultanément soudées.L'appareil comprend également un magasin 88 pour fournir des pièces de travail à la machine, et des mécanismes de charge et de décharge automatiques.

Claims (11)

RÉSUMÉ L'invention a pour objet : A. Un appareil pour souder par frottement une pièce de travail à une autre, caractérisé par les points suivants, considérés isolément ou en combinaison :

1. II comprend des moyens pour provoquer une rotation relative entre les pièces de travail, et des moyens de charge pour exercer une charge axiale sur une pièce de travail par rapport à l'autre, les moyens de charge comprenant un vérin hydraulique dans un cylindre hydraulique principal et 'un multiplicateur de pression pneumatique pour augmenter rapidement la charge exercée par le vérin à un instant déterminé, le multiplicateur de pression pneumatique comprenant un piston à air disposé pour être soumis à une pression pneumatique dans un cylindre à air et relié à un piston hydraulique de surpuissance dans une chambre contenant un fluide hydraulique qui est reliée au cylindre hydraulique principal, de sorte qu'une augmentation de la pression pneumatique provoque une augmentation brutale de la pression hydraulique exercée sur le vérin;

2. Le diamètre efficace du piston à air est plus grand que celui du piston hydraulique de surpuissance;

3. Le diamètre efficace du piston hydraulique de surpuissance est moindre que le diamètre du vérin hydraulique;

4. Le vérin hydraulique, le piston à air et le piston hydraulique de surpuissance sont alignés coaxialement;

5. L'appareil comprend des moyens d'amortissement hydrauliques opératoires à une ou à chaque extrémité de la course du vérin hydraulique principal pour décélérer le vérin;

6. Les moyens d'amortissement comprennent un organe disposé pour pénétrer dans un évidement ouvert à une extrémité correspondante lorsque le vérin approche de l'extrémité de sa course pour enfermer une masse de fluide hydraulique et comprenant des moyens pour fournir un passage limité d'échappement du fluide à partir de l'évidement;

7. Les moyens de charge agissent par l'intermédiaire d'un montage de palier de butée sur un mandrin rotatif pour tenir une des pièces de travail;

8. Le montage de palier de butée comprend deux paliers de butée agissant en parallèle entre les moyens de charge et le mandrin rotatif, et chaque palier de butée est associé avec un dispositif à piston-cylindre hydraulique, les cylindres des deux dispositifs étant reliés réciproquement pour équilibrer les charges exercées par les deux paliers de butée;

9. Un second moyen de charge est prévu comprenant également un vérin hydraulique et un multiplicateur de pression pneumatique alignés avec le premier moyen de charge mais espacés de celui-ci. les deux moyens de charge agissant l'un vers l'autre, et chacun étant relié à un porte-pièces;

10. Des moyens moteurs de mise en rotation sont prévus pour faire tourner simultanément les deux mandrins rotatifs associés respectivement avec les deux moyens de charge;

11. Les moyens moteurs sont disposés pour faire tourner les deux mandrins dans la même direction en synchronisme. B. A titre de produit industriel, un dispositif de charge de poussée axiale pour une machine à souder par frottement comprenant un vérin hydraulique dans un cylindre hydraulique principal et un multiplicateur de pression pneumatique pour augmenter rapidement la charge exercée par le vérin à un instant déterminé; le multiplicateur de pression pneumatique comprenant un piston à air disposé pour être soumis à une pression pneumatique et relié à un piston hydraulique de surpuissance dans une chambre contenant un fluide hydraulique qui est reliée au cylindre hydraulique principal, de sorte qu'une augmentation de la pression pneumatique provoque une augmentation correspondante, mais plus grande de la pression hydraulique.