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MÉMOIRE DESCRIPTIF
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DÉPOSÉ A L'APPUI DE BREVET D'INVENTION
D'UNE DEMANDEFORMEE PAR FEDERAL-MOGUL CORPORATION. pour Disque à trancher. Demande de brevet aux Etats-Unis d'Amérique nO 403. 200 du 29 juillet 1982 en faveur de P. B. BALLENGER.
La présente invention concerne des lames de scie abrasives ou disques à trancher et plus spécialement des lames de scie du type qui est constitué par une molette d'entraînement circulaire en tôle résistante portant un ou plusieurs organes de coupe qui contiennent, en dispersion, de la poudre de diamant et
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qui sont fixés sur sa périphérie par un liant métallique et qui se prête à des applications industrielles importantes.
Les scies abrasives diamantées à liant métallique sont traditionnellement réparties en trois groupes distincts, actuellement tous bien connus. Le premier de ces groupes comprend les lames à dents ou entailles qui sont déjà anciennes et représentent probablement la première conception du disque à trancher diamanté. Une lame de ce type consiste en un disque d'acier ou de cuivre dans lequel sont ménagées des fentes ou des entailles étroites qui reçoivent une pâte de poudre de diamant et un liant tel que de la vaseline ou plus récemment, différentes poudres métalliques.
Les lames de scie à bord entaillé ont le mérite d'être raisonnablement indestructibles, mais l'inconvénient d'une coupe tellement médiocre qu'elles n'ont aucun réel succès dans une application industrielle importante, bien qu'elles donnent satisfaction comme lames à bas prix utilisées pour le bricolage et pour le travail du lapidaire.
Les lames de scie du second groupe consistent en un disque tranchant dont la périphérie porte un anneau continu de poudre métallique comprimée cuite contenant de la poudre de diamant. Une telle lame est traditionnellement fabriquée par moulage à froid de l'anneau de poudre métallique et de poudre de diamant autour d'un corps en acier et par frittage ou autre cuisson de l'anneau jusqu'à une résistance mécanique suffisante pour que la poudre de diamant soit immobilisée et coupe bien. Les lames de ce genre sont fonctionnellement supérieures à celles du premier groupe, mais ne donnent pas non plus satisfaction pour des applications industrielles importantes du fait qu'elles ont l'inconvénient d'être fragiles en raison du carac-
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tère délicat de la liaison entre l'anneau et le corps en acier.
Différents dispositifs mécaniques ont été proposés pour améliorer la liaison, mais en général, le disque à trancher ainsi obtenu reste fragile en raison d'imperfections dans le procédé de fabrication. Son application est limitée pour beaucoup aux travaux de précision comme le tranchage du germanium, le découpage des verres optiques et d'autres applications fines rentrant plutôt dans la fabrication des instruments.
Le troisième groupe qui est relativement récent comprend les lames de scie à taillant discontinu ou segmenté. Un tel disque à découper est obtenu par fabrication d'une série de segments arqués courts qui contiennent de la poudre de diamant dans un liant métallique. Ces segments ont habituellement une longueur d'environ 50 mm et sont d'ordinaire assemblés par soudure à l'argent, brasure ou soudure autogène avec le bord d'une molette en acier qui a été divisée en sections ayant à peu près la longueur du segment par des entailles ou traits de scie ménagés radialement dans le bord. En l'absence de ces discontinuités, le disque serait difficile à fabriquer à cause des contraintes importantes auxquelles il est soumis en conséquence de son chauffage uniquement à la périphérie.
Les lames segmentées ont trouvé leurs débouchés dans les domaines menant aux applications les plus sévères de ces lames comme le sciage du béton ou de la maçonnerie où le découpage abrasif est grossier.
Pour de telles applications, il est courant de baigner la région de coupe de manière continue pendant l'exécution de la coupe au moyen d'un liquide de refroidissement afin de maintenir la lame aussi froide que possible et d'évacuer de la région de coupe les débris rocheux, l'abrasif usé et les autres déchets formant avec le liquide de refroidissement ce qui est
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appelé traditionnellement et aux fins de l'invention, une boue. Bien que les lames construites de cette façon aient atteint un haut degré de perfection, elles doivent habituellement être remplacées lorsque la boue use la molette en acier à l'endroit de celle-ci où sont fixés les organes de coupe qui se trouvent affouillés et risquent d'être perdus. Il en est particulièrement ainsi dans certaines opérations de tranchage du béton.
Jusqu'à présent, il n'était pas ou guère venu à l'idée d'utiliser la construction de la lame elle-même comme moyen plus efficace pour assurer un meilleur refroidissement de la molette et pour débiter du liquide de refroidissement au voisinage immédiat ou au point où la lame réalise la coupe de manière à évacuer la boue de la partie de la coupe ou entaille qui s'étend pardessus les flancs du disque pendant que la coupe progresse.
La présente invention a pour objet un disque à trancher rotatif pour couper de la roche ou une matière rocheuse, le disque à trancher comprenant une molette d'entraînement circulaire généralement discoïde comprenant plusieurs surfaces de support s'étendant circonférentiellement et circonférentiellement espacées, chacune des surfaces de support portant un organe de coupe fixé en place, la molette comportant plusieurs évidements, chacun de ces évidements étant défini par l'espace entre deux des surfaces de support adjacentes et comprenant une extrémité ouverte et une extrémité fermée, la largeur circonférentielle de l'extrémité ouverte de l'évidement étant généralement coextensive avec la longueur circonférentielle de cet espace,
étant entendu que le rapport de la longueur circonférentielle de chacune des deux surfaces de support adjacentes à la longueur circonférentielle de l'espace tombe dans l'intervalle d'environ 0,75 à 1, 20, que la longueur
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circonférentielle totale des surfaces de support est à peu près égale à la largeur circonférentielle totale des évidements à leur extrémité ouverte et que la profondeur radiale de chacun des évidements est à peu près égale à la largeur circonférentielle de chaque extrémité ouverte des évidements, de manière que chacun des évidements et son espace respectif entre les surfaces de support adjacentes coopèrent pour définir un passage de liquide ayant une capacité volumique sensible par lequel un liquide de refroidissement peut être amené par circulation en quantité sensible à la région de coupe,
peut refroidir la molette d'entraînement dans la région immédiatement adjacente aux organes de coupe et peut en évacuer la boue.
Le disque à trancher conforme à l'invention constitue un moyen efficace pour faire circuler un liquide de refroidissement du fait qu'il débite efficacement du liquide de refroidissement dans la région entaillée par le disque et sur des parties du disque lui-même.
Un disque à trancher abrasif diamanté conforme à l'invention consomme sensiblement moins de diamant que les disques à trancher de construction traditionnelle, mais permet une vitesse de coupe au moins égale à celle d'un tel disque à trancher traditionnel.
D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront de la description d'une de ses formes de réalisation préférées faite ci-après avec référence au dessin annexé dans lequel :
Fig. l est une vue de face fragmentaire d'un disque à trancher suivant une forme de réalisation préférée de l'invention ;
Fig. 2 est une vue en coupe radiale fragmentaire du disque à trancher de la Fig. l passant par un évidement à peu près suivant la ligne 2-2 ;
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Fig. 3 est une vue de face fragmentaire d'un disque à trancher illustratif de l'état connu de la technique ;
Fig. 4 est une vue en perspective généralement schématique du disque à trancher de l'invention utilisé dans une scie ordinaire pour couper de la roche naturelle ou artificielle.
La Fig. l est une vue d'un disque à trancher abrasif diamanté indiqué de manière générale en 1 qui est un exemple d'un disque à trancher conforme à l'invention. Dans l'exemple illustré, le disque à trancher comprend de manière générale un disque d'entraînement central en tôle ou molette 10 en métal ouvré approprié, de préférence l'acier, et muni d'un trou d'arbre central 12 pour le montage du disque dit aussi lame sur un arbre axial d'entraînement. La périphérie de la molette est segmentée en plusieurs segments de coupe 14 dont chacun définit avec le suivant l'évidement 16. Un organe de coupe diamanté 18 est soudé sur une base ou surface de support située à l'extrémité radiale de chaque segment de coupe 14.
Comme le montre la vue de face de la lame de scie ou disque à trancher de la Fig. 1, les organes de coupe sont arqués et leurs faces inférieures sont des arcs circulaires dont le centre de courbure coïncide avec le centre de la molette. Les organes de coupe sont formés de poudre de diamant noyée et dispersée dans un liant dur, comme un mélange de bronze et de fer. Le mélange métallique particulier mentionné est actuellement préféré, mais il va de soi que l'invention est applicable à tout abrasif particulaire de dureté appropriée en dispersion dans un liant dur convenable quelconque.
Comme le montre la Fig. 2, les organes de coupe 18 ont une section à peu près rectangulaire (visible en observation circonférentielle) et ont une
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largeur un peu supérieure dans le sens axial à l'épaisseur de la molette 10 de manière à surplomber axialement quelque peu les deux faces de la molette 10. Les organes diamantés 18 sont plus épais que la molette 10 pour assurer du jeu pendant la coupe et agissent donc comme la"voie"d'une scie à bois ou à métal.
Bien que la chose ne soit pas représentée, les organes de coupe peuvent s'étendre quelque peu au-delà du bord périphérique de la molette aux bords inférieurs des rainures en direction radiale vers l'intérieur. Ce chevauchement contribue à prévenir l'affouillement pendant la rotation du disque. Lorsque des lames du type général décrit sont utilisées en service continu, des difficultés ont été observées par usure de la molette d'entraînement au voisinage de la jonction courbe entre les organes de coupe diamantés et la molette. Cette usure est provoquée par des particules abrasives libres agissant localement sur le disque à trancher en rotation dont elles affûtent et amincissent ainsi cette partie périphérique critique. Cet amincissement et cette usure de la périphérie de la molette métallique peuvent affaiblir la soudure.
Les évidements 16 sont délimités par les faces latérales respectives 20 et 22 de segments de coupe 14 adjacents. Chaque paire de faces latérales 20 et 22 délimite un évidement qui converge radialement vers l'intérieur à partir de la base du segment de coupe respectif vers un sommet. De préférence, l'évidement est symétrique par rapport à une ligne r passant par le centre du disque à trancher et par le sommet, de manière que l'angle A entre une face latérale 22 et la ligne radiale r soit égal à la moitié de l'angle inclus B entre deux faces latérales 20 et 22 successives délimitant un évidement.
De préférence, l'angle B est d'environ 70 , mais d'autres valeurs peuvent convenir.
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Par exemple, la Demanderesse a observé que le disque à trancher l donne satisfaction lorsque l'angle B est
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supérieur à 70 , à la condition de ne pas atteindre une valeur à laquelle le disque"martèle"la matière entaillée. Le"martelage"est l'action du disque à trancher rebondissant à plusieurs reprises sur la surface de la matière au lieu de l'entailler. Une diminution de l'angle B au-dessous de la valeur préférée d'environ 70 conduit encore, mais dans une moindre mesure, aux résultats propres à l'invention.
Il est néanmoins évident aussi qu'une diminution de l'angle B jusqu'à une valeur nulle ou à peu près nulle, comme dans les disques à trancher déjà connus dont les évidements ont la forme d'une fente étroite, n'assure pas la circulation désirée du liquide de refroidissement en quantité suffisante pour refroidir convenablement la molette d'entraînement au voisinage des organes de coupe et ne facilite pas l'évacuation indispensable de la boue hors de l'entaille.
Par conséquent, au moins lorsque l'intention est d'utiliser aussi peu de matière diamantée que possible, la Demanderesse préfère que l'angle B soit d'environ 70 . Si le disque à trancher est utilisé dans des conditions où une face latérale particulière de chaque évidement constitue toujours la face latérale antérieure dans la région de la coupe, l'angle de la face latérale opposée ou arrière pourrait n'avoir guère d'importance. Il en est ainsi parce qu'en plus de l'effet de pompage à déplacement volumétrique de la lame, un effet dynamique semble être exercé sur le liquide de refroidissement par la face latérale antérieure de l'évidement et qu'à ce titre, l'angle de cette face latérale a le plus d'influence sur l'effet de refroidissement et de circulation dans la région de coupe.
Toutefois, comme les lames de ce type général sont parfois montées sur
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leur arbre sans que le côté de la lame qui vient à l'extérieur de l'organe d'entraînement entre en considération, la Demanderesse préfère que l'évidement soit symétrique de manière que l'une ou l'autre face latérale agisse efficacement pour exercer l'effet de pompage désiré sur le liquide de refroidissement qui sert à refroidir la lame et à évacuer la boue hors de la région de coupe.
Un trou foré 24 est ménagé à peu près au point central du sommet de chaque évidement 16 pour relâcher les contraintes qui seraient sinon exercées à la jonction aiguë des faces latérales 20 et 22.
Outre la forme géométrique de l'évidement, un autre critère important pour le bon fonctionnement du disque de l'invention est que la longueur périphérique ou circonférentielle totale de matière diamantée, c'est-à-dire la longueur circonférentielle totale de tous les organes 18 soit à peu près égale ou éventuellement un peu supérieure à la longueur totale des arcs définissant les évidements ou largeur circonférentielle totale des évidements sur le contour du disque. Il s'établit ainsi un équilibre entre la capacité de coupe des organes diamantés et la capacité volumique notable des évidements et donc leur aptitude à faire circuler du liquide pour refroidir la lame et évacuer la boue.
De préférence, la longueur d'arc L de chaque organe de coupe est à peu près égale à la longueur d'arc L'de chaque évidement. Néanmoins, un intervalle acceptable pour le rapport de la longueur de l'arc de l'organe de
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coupe la longueur de l'arc de l'évidement est d'envicoupe a ron 0,75 à 1,20.
Dans un exemple spécifique, un disque à trancher conforme à l'invention répond aux spécifica- tions suivantes : Diamètre de la molette : 61 cm
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Matière de la molette : acier Epaisseur de la molette : 3,3 mm Nombre d'organes de coupe : 19, régulièrement espacés Longueur (L) de l'arc d'organe de coupe : 5, 1 cm Nombre d'évidements : 19 Longueur (1) de l'arc d'évidement : environ 5,0 cm. (Cette dimension exacte est déterminée par les autres
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paramètres mentionnés dans l'exemple. parame e Angle inclus B de l'évidement : 70 Angle A de l'évidement : 35 Rayon du trou foré pour le relâchement des contraintes : 7,9 mm.
Un disque à trancher tel que décrit ci-dessus, qui est une forme de réalisation préférée de l'invention est, par conséquent, un disque dans lequel l'évidement (i) assure un entraînement volumétrique important de liquide de refroidissement dans le plan de la lame ; (ii) pompe ou fait circuler le liquide de refroidissement dans la région de coupe et hors de celle-ci ; (iii) expose une fraction sensible de la molette au liquide de refroidissement ; (iv) entraîne la boue hors de la région de coupe lors de chaque passage dans celle-ci, la lame ayant d'autres supériorités de fonctionnement par ailleurs inattendues.
Comme le montre la Fig. 3, dans laquelle les mêmes chiffres de référence désignent les mêmes éléments qu'aux Fig. 1 et 2, les disques à trancher traditionnels comprennent des organes de coupe diamantés 16 de type classique montés sur des surfaces des segments de coupe 14. Ces disques sont habituellement entaillés par des fentes comme indiqué en 16. Toutefois, les fentes ont pour but principal de relâcher les contraintes thermiques exercées pendant le soudage de chaque organe de coupe diamanté sur la molette. Elles n'ont donc jusqu'à présent jamais été réalisées pour
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procurer les avantages offerts par les évidements conformes à l'invention.
Pour une application pratique, comme le montre la Fig. 4, un disque à trancher l conforme à l'invention est monté sur l'arbre d'entraînement d'une scie 50. La scie comprend un moteur indiqué de manière générale en 52 qui entraîne l'arbre 54 et dès lors le disque 1. La scie comprend également un dispositif représenté schématiquement en 56 pour débiter de manière continue un liquide de refroidissement sous pression constante dans la région de coupe du disque par un tuyau souple 58 adapté à la monture 60 du disque. La scie 50 est de construction traditionnelle et ne fait pas l'objet de l'invention.
Toutefois, en raison de la structure particulière du disque à trancher l de l'invention, l'apport du liquide de refroidissement dans la région de coupe pendant le découpage d'une matière rocheuse sensible à l'abrasif, chaque évidement 16 du disque à trancher 1 exerce un effet de pompage ou de circulation fort efficace sur le liquide de refroidissement dans la région de coupe, de la manière déjà décrite. Cet effet de circulation conduit à l'entraînement d'une quantité sensible du liquide de refroidissement dans chaque évidement 16 lorsque celuici pénètre dans la région de coupe immédiate (c'est-àdire l'extrémité antérieure de la rainure en cours d'avancement) et à l'évacuation du liquide de refroidissement à l'écart de la surface de la matière entaillée à cet endroit.
Ensuite, chaque évidement 16 quittant l'extrémité antérieure de la rainure en cours d'avancement entraîne une quantité sensible de boue et l'évacue hors de la région de coupe. Pour au moins certaines applications, on peut faire l'hypothèse que le liquide de refroidissement et/ou la boue peuvent être amenés à s'écouler radialement vers l'intérieur
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dans un évidement, de sorte que la région de coupe reste exempte de débris et que l'effet de refroidissement de la molette portant les organes de coupe diamantés s'en trouve renforcé.
Bien que divers modes et détails de réalisation aient été décrits pour illustrer l'invention, il va de soi que celle-ci est susceptible de nombreuses variantes et modifications sans sortir de son cadre.