FR3115224A1 - Amortisseur à fluide intelligent pour une machine d’usinage portative - Google Patents

Amortisseur à fluide intelligent pour une machine d’usinage portative Download PDF

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Abstract

La présente invention concerne une machine d’usinage portative (1) comprenant  un outil d’usinage (3), un support (2) et un amortisseur (10), monté entre le support (2) et l’outil d’usinage (3). L’amortisseur comprend un fluide intelligent (10) et un générateur (11) configuré pour appliquer un champ sur le fluide intelligent (10) afin d’en modifier la viscosité de sorte à ajuster une réponse de l’amortisseur (10). Figure pour l’abrégé : Fig. 1

Description

Amortisseur à fluide intelligent pour une machine d’usinage portative
DOMAINE DE L'INVENTION
L’invention concerne de manière générale le domaine des machines d’usinage portatives, et plus précisément l’amortissement de ces machines afin de réduire les vibrations inhérentes à l’usinage dont le broutement (« chatter » en anglais).
ETAT DE LA TECHNIQUE
De nos jours, les techniques d'usinage et les moyens matériels associés sont de plus en plus performants. Toutefois, lors de l’usinage sont générées des vibrations qui peuvent être à l’origine de dégradation de la pièce usinée et/ou de l’outil d’usinage. Il est donc nécessaire de contrôler ou d’éliminer l’apparition de ce phénomène. Bien que ce problème soit étudié depuis plus d’un demi-siècle dans le cadre « d’usinage classique », ce fort investissement ne permet toujours pas de rendre compte, à l’heure actuelle, de l’apparition de vibrations dans l’ensemble des conditions rencontrées en usinage.
Ce phénomène est encore plus vrai pour l’usinage sur site, à l’aide de machines d’usinage portatives. Cette activité spécifique permet de réaliser tous types d’opération d’usinage afin de restaurer et réparer des organes d’équipement indémontables directement chez un industriel grâce à des machines d’usinage portatives. Une machine d’usinage portative est capable de réaliser des opérations d’usinage sur tous types d’installations industrielles, la plupart du temps indémontables. A cet effet, la machine d’usinage portative est composée de plusieurs modules transportables et démontables, qui sont amenés sur site pour être montés et réglés directement sur l’ensemble à usiner indépendamment de sa taille, de son poids et de son encombrement. Ce sont ces spécifications qui rendent les machines portables beaucoup plus assujetties aux vibrations que les machines d’usinages classiques, qui sont bien plus lourdes et plus stables.
Or, dans la mesure où les machines d’usinage portatives sont utilisées dans des conditions d’usinage distinctes d’un site à l’autre, les vibrations générées au cours de l’usinage sont variables. L’amortissement des vibrations doit donc également être ajusté en temps réel en tenant compte du caractère unique de chaque opération d’usinage, qui peuvent être de nature très différente. La machine doit en outre pouvoir rester portative, ce qui implique de pouvoir la transporter et la monter facilement sur site.
Un but de l’invention est de remédier aux inconvénients précités, en proposant une solution permettant d’amortir les vibrations dans une machine d’usinage portative sur une plage de fréquence variable.
Un autre but de l’invention est de proposer une solution permettant d’amortir une très large gamme de fréquences (de quelques hertz à plusieurs kilohertz), et en particulier au moins 30 % des vibrations basse fréquence générées par une machine d’usinage portative, sans pour autant impacter son encombrement afin de ne pas gêner son montage et son utilisation sur site.
Il est à cet effet proposé, selon un premier aspect de l’invention une machine d’usinage portative comprenant :
- un outil d’usinage ;
- un support et
- un amortisseur, monté entre le support et l’outil d’usinage, qui comprend un fluide intelligent et un générateur configuré pour appliquer un champ sur le fluide intelligent afin d’en modifier la viscosité de sorte à ajuster une réponse de l’amortisseur.
Certaines caractéristiques préférées mais non limitatives de la machine d’usinage portative selon le premier aspect sont les suivantes, prises individuellement ou en combinaison :
- l’amortisseur comprend un corps, monté sur l’un parmi l’outil d’usinage et le support, le fluide intelligent étant logé dans le corps ; et un ensemble mobile comprenant un piston et une tige, monté sur l’autre parmi l’outil d’usinage et le support ;
- l’amortisseur est monotube et comprend en outre un ressort de compression, monté entre le corps et le piston ;
- le fluide intelligent comprend un fluide magnétorhéologique et le générateur comprend un électroaimant configuré pour appliquer un champ magnétique sur le fluide intelligent ;
- l’électroaimant est monté sur le piston ou la tige de l’ensemble mobile ;
- le piston comprend au moins une rainure annulaire dans laquelle est logé l’électroaimant et au moins un canal traversant formé à proximité de la rainure annulaire et configuré pour permettre un écoulement du fluide magnétorhéologique à proximité de l’électroaimant.
- le fluide intelligent comprend un fluide électrorhéologique et le générateur comprend un condensateur configuré pour appliquer un champ électrique sur le fluide intelligent ;
- la machine d’usinage portative comprend en outre un premier joint d’étanchéité statique monté entre la tige et le piston et un deuxième joint d’étanchéité statique monté entre la tige et le corps, le premier et/ou le deuxième joint d’étanchéité statique comprenant l’un au moins des joints suivants : un joint composite double effet en élastomère et en polytétrafluoroéthylène ; un joint composite en V en inox et en polytétrafluoroéthylène ;
- l’amortisseur est monté sur le support par l’intermédiaire d’au moins une glissière, de préférence entre une glissière montée sur le support et une glissière montée sur l’outil d’usinage ;
- l’ensemble mobile de l’amortisseur est mobile en translation suivant un axe de coulissement qui est incliné d’un angle compris entre 30° et 80° par rapport à l’au moins une glissière ; et/ou
- la machine d’usinage portative comprend en outre une alimentation électrique réglable configurée pour alimenter le générateur et générer un champ réglable.
Selon un deuxième aspect, l’invention propose un amortisseur pour une machine d’usinage portative selon le premier aspect, ledit amortisseur étant configuré pour être monté entre le support et l’outil d’usinage de la machine d’usinage portative et comprenant un fluide intelligent et un générateur configuré pour appliquer un champ sur le fluide intelligent afin d’en modifier la viscosité de sorte à ajuster une réponse de l’amortisseur.
Selon un troisième aspect, l’invention propose un procédé d’usinage à l’aide d’une machine d’usinage portative selon l’une le premier aspect, comprenant les étapes suivantes :
S1 : assembler la machine d’usinage portative sur une installation à usiner ;
S2 : usiner l’installation ; et
S3 : simultanément à l’étape S2, appliquer un champ sur le fluide intelligent afin d’en modifier la viscosité de sorte à ajuster une réponse de l’amortisseur de la machine d’usinage portative.
Optionnellement, l’amortisseur est monotube et comprend un corps, monté sur l’un parmi l’outil d’usinage et le support, le fluide intelligent étant logé dans le corps, un ensemble mobile comprenant un piston et une tige, monté sur l’autre parmi l’outil d’usinage et le support et un ressort de compression, monté entre le corps et le piston, le procédé comprenant en outre une étape d’adaptation du ressort de compression en fonction de l’installation à usiner.
DESCRIPTION DES FIGURES
D’autres caractéristiques, buts et avantages de l’invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels :
La est une vue en coupe d’un exemple d’amortisseur conforme à un mode de réalisation de l’invention ;
La est une vue éclatée de l’exemple d’amortisseur de la ;
La illustre schématiquement une première variante de réalisation d’un générateur de champ magnétique conforme à l’invention ;
La illustre schématiquement une deuxième variante de réalisation d’un générateur de champ magnétique conforme à l’invention ;
La illustre schématiquement une troisième variante de réalisation d’un générateur de champ magnétique conforme à l’invention ;
La est un exemple de machine d’usinage portative comprenant un amortisseur conforme à un mode de réalisation de l’invention ;
La illustre l’amplitude (en millimètres) en fonction du temps (en secondes), pour trois tensions différentes, mesurée par l’accéléromètre d’un bras de fraisage léger conventionnel (dépourvu d’amortisseur) ;
La illustre l’amplitude en fonction du temps, pour les mêmes tensions qu’en , mesurée par l’accéléromètre d’un bras de fraisage léger conforme à l’invention (avec amortisseur) ; et
La est un organigramme d’étapes d’un procédé selon un mode de réalisation de l’invention.
Sur l’ensemble des figures, des éléments similaires portent des références identiques.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
Une machine d’usinage portative 1 comprend, de manière connue en soi, un support 2 sur lequel est monté un outil d’usinage 3.
Afin d’amortir les vibrations dans une telle machine, l’invention propose de monter un amortisseur 10 entre le support 2 et l’outil d’usinage 3. Par ailleurs, pour amortir les vibrations sur une large gamme de fréquence et en temps réel, l’amortisseur 10 comprend un fluide intelligent 12 et un générateur 11 configuré pour appliquer un champ sur le fluide intelligent 12 afin d’en modifier la viscosité de sorte à ajuster une réponse de l’amortisseur 10.
Par fluide intelligent 12 (ou « smart fluid » en anglais), on comprendra ici un fluide 12 qui modifie ses propriétés rhéologiques lorsqu'il est soumis à un champ électrique ou à un champ magnétique. Pour cela, un fluide intelligent 12 comprend une suspension de particules solides dispersées dans un fluide 12 porteur. La principale caractéristique de ces fluides 12 est le changement, totalement réversible, de leurs propriétés rhéologiques, et notamment la viscosité, sous l’action d’un champ magnétique ou électrique selon le type de fluide intelligent 12. La viscosité d’un fluide magnétorhéologique 12 est comprise entre 0.1 et 1 Pa.s.
En plus de présenter un temps de réponse très court (quelques millisecondes), les fluides intelligents 12 proposent un compromis très intéressant entre des performances élevées et ajustables et une consommation électrique faible.
Le fluide intelligent 12 peut comprendre un fluide magnétorhéologique 12 ou un fluide 12 électrorhéologique.
Le fluide magnétorhéologique 12 comprend à cet effet un fluide 12 porteur, qui peut comprendre une huile minérale, une huile synthétique ou de l’eau, et des particules ferromagnétiques. Les particules ferromagnétiques peuvent comprendre l’un au moins des matériaux suivants : du fer, du nickel, du cobalt. La concentration massique des particules dans le fluide 12 peut être comprise entre 70 % et 85 % et leur taille est de l’ordre du micromètre. Optionnellement, le fluide magnétorhéologique 12 comprend en outre des additifs afin de limiter la sédimentation des particules.
Par exemple, le fluide magnétorhéologique 12 peut comprendre un fluide 12 porteur à base d’hydrocarbures et des particules de fer ayant une concentration massique comprise entre 70 % et 80 %, tels que les fluides 12 MRHCCS4-A (qui comprend 70 m% de particules de fer) et MRHCCS4-B (qui comprend 80 m% de particules de fer) fournis par la société Liquid Research.
Le fluide 12 électrorhéologique comprend quant à lui des particules réalisées dans un matériau semi-conducteur présentant une tension de claquage élevée. Le matériau semi-conducteur peut comprendre tout matériau adapté, typiquement une céramique, un polymère ou encore un composé organique. La taille des particules ainsi que leur concentration sont très variables selon les fluides 12 et elles peuvent mesurer de 0,1 µm à 100 µm pour un taux volumique allant de 5 à 50 %. Le fluide 12 porteur comprend une huile électriquement isolante indépendamment de sa température et du champ électrique auxquelles elle est soumise et peut notamment comprendre une huile minérale, une huile synthétique ou une huile silicone. Optionnellement, le fluide 12 électrorhéologique comprend en outre des additifs afin de rendre le fluide 12 plus stable et/ou d’améliorer ses performances (tels que de l’eau et/ou des tensioactifs).
Par exemple, le fluide 12 électrorhéologique peut comprendre un fluide porteur à base de silicone de densité adaptée et comprenant des particules de polymère d’environ 45 micromètres ayant une concentration massique de 37,5 %, tel que le fluide LID 3354d fourni par la société Smart Technology.
Dans le cas d’un fluide magnétorhéologique 12, le générateur 11 comprend un générateur de champ magnétique. Dans le cas d’un fluide 12 électrorhéologique, le générateur 11 comprend un générateur électrique.
Dans ce qui suit, l’invention va plus particulièrement être décrite dans le cas où le fluide intelligent 12 comprend un fluide magnétorhéologique. Ce mode de réalisation est particulièrement intéressant dans la mesure où la tension nécessaire au fonctionnement d’un amortisseur 10 comprenant un fluide électrorhéologique est bien plus élevée (plusieurs kilovolts) que pour un fluide magnétorhéologique. Par ailleurs, les fluides magnétorhéologiques actuels sont capables d’atteindre des contraintes de cisaillements jusqu’à vingt fois supérieures aux fluides électrorhéologiques, améliorant ainsi les performances de l’amortisseur 10. Toutefois, on notera que ceci n’est pas limitatif, l’invention couvrant également le cas où le fluide intelligent 12 est un fluide électrorhéologique et le générateur 11 comprend un générateur électrique.
L’amortisseur 10 comprend un corps 13 (ou cylindre), monté sur l’un parmi l’outil d’usinage 3 et le support 2, le fluide intelligent 12 étant logé dans le corps 13 et un ensemble mobile 14, 15, monté sur l’autre parmi l’outil d’usinage 3 et le support 2. Par exemple, le corps 13 peut être monté sur le support 2 et l’ensemble mobile 14, 15 sur l’outil d’usinage 3.
L’amortisseur 10 peut être de tout type. En particulier, l’amortisseur 10 peut être monotube, bitube, à double tige 15s ou à mousse absorbante.
Plus précisément, le corps 13 d’un amortisseur 10 monotube comprend un piston flottant 16 séparant une première chambre 19 comprenant le fluide magnétorhéologique 12 et une deuxième chambre 20 comprenant un compensateur de volume 17 (généralement un gaz sous pression) configuré pour appliquer un effort sur le piston flottant 16 et compenser le volume de la tige 15 entrante (voir ) dans la première chambre 19. L’ensemble mobile 14, 15 de l’amortisseur 10 monotube est par ailleurs monté en translation par rapport au corps 13 et comprend un piston 14, logé dans la première chambre 19, et une tige 15 configurée pour être montée sur l’outil d’usinage 3 (ou le cas échéant, le support 2). Le piston 14 de l’ensemble mobile 14, 15 divise la première chambre 19 en deux sections de volume dont le volume respectif varie en fonction de la position de l’ensemble mobile 14, 15 et comprend un ou plusieurs canaux traversants 18 configurés pour permettre un écoulement du fluide magnétorhéologique 12 d’une section vers l’autre, et inversement. L’amortisseur 10 monotube présente donc une conception simple et est peu encombrant.
L’amortisseur 10 bitube diffère de l’amortisseur 10 monotube en ce qu’il comprend en outre un réservoir extérieur, comprenant une partie du fluide magnétorhéologique 12 et du gaz à une pression inférieure à celle du fluide 12, et une valve placée entre le réservoir extérieur et le corps 13 afin de réguler les différences de volume. L’amortisseur 10 bitube présente l’avantage de nécessiter une faible pression pour compenser le changement de volume de la première chambre 19 et est très robuste. Toutefois, il impose une utilisation verticale ce qui peut présenter des inconvénients selon le type de machine d’usinage portative 1 à amortir et sa conception est plus complexe.
L’amortisseur 10 à double tige 15s diffère de l’amortisseur 10 monotube en ce qu’il ne comprend qu’une chambre, logeant le fluide magnétorhéologique 12 et en ce qu’il comprend en outre une deuxième tige, montée sur le piston 14 à l’opposé de la première tige 15 de sorte à compenser les changements de volume résultant du mouvement de la première tige 15. L’amortisseur 10 double tige présente l’avantage de ne pas nécessiter de compensateur de volume 17. Toutefois, les frottements sont plus importants et sa configuration (sortie de la deuxième tige 15) impose des contraintes d’encombrement qui peuvent ne pas être adaptées à tout type de machine d’usinage portative 1.
Dans un amortisseur 10 à mousse absorbante, le liquide magnétorhéologique est logé dans une première chambre montée autour du piston 14 et mobile en translation avec le piston 14 dans une deuxième chambre comprenant un gaz sous pression. La première chambre comprend en outre une mousse absorbante à cellules ouvertes, notamment en polyuréthane, qui est saturée en fluide magnétorhéologique 12. L’amortisseur 10 à mousse absorbante présente l’avantage de requérir une quantité de fluide magnétorhéologique 12 moindre, la première chambre étant sensiblement plus petite et un risque de fuite moins élevé. Toutefois, la mousse est susceptible de se détériorer rapidement ce qui peut réduire la durée de vie de l’amortisseur 10. Par ailleurs, le comportement d’un tel amortisseur 10 est plus complexe.
Dans une forme de réalisation, la machine d’usinage portative 1 comprend un amortisseur 10 monotube. En effet, la conception d’un tel amortisseur 10 est simple et donc peu coûteuse. Par ailleurs, il peut être aisément adapté sur tout type de machine d’usinage portative 1 et présente un encombrement limité, ce qui est avantageux dans le cas d’une machine portative. Optionnellement, afin de réduire l’encombrement de l’amortisseur 10 monotube, le compensateur de volume 17 comprend non pas un gaz sous pression mais un ressort en compression. Le ressort en compression 17 peut notamment être monté entre un fond du corps 13 (à l’opposé de la tige 15) et le piston flottant 16 de sorte à appliquer un effort sur le piston 14 en direction de la tige 15. De préférence, le ressort en compression 17 est précontraint dans la deuxième chambre 20 afin d’appliquer un effort sur le piston flottant 16. Par ailleurs, le ressort en compression 17 peut être choisi en fonction de la précontrainte à appliquer, en tenant compte de l’installation à usiner et de l’opération d’usinage. Il est en effet aisé de changer le ressort en compression 17 de l’amortisseur 6, ce qui permet de l’adapter au mieux à l’opération d’usinage.
Le générateur 11 de champ magnétique est monté de préférence au sein de la chambre de l’amortisseur 10 qui reçoit le fluide magnétorhéologique 12.
Dans le cas d’un amortisseur 10 monotube, le générateur 11 de champ peut notamment être monté sur le piston 14, sur la tige 15 et/ou sur une face interne de la première chambre 19.
Le générateur 11 de champ peut par exemple comprendre un électroaimant 11 afin de permettre un contrôle semi-actif des vibrations lors de l’usinage. Ainsi, lorsque l’électroaimant 11 n’est pas alimenté, le fonctionnement de l’amortisseur 10 est similaire à un amortisseur 10 hydraulique conventionnel, c’est-à-dire que lors du mouvement du piston 14 dans la première chambre 19, le ou les canaux formés dans le piston 14 restreignent le mouvement du fluide magnétorhéologique 12 et génèrent une force d’amortissement fixe. En revanche, lorsque l’électroaimant 11 est alimenté, les particules du fluide 12 se réorganisent le long des lignes de champ magnétique B, ce qui a pour conséquence de modifier la viscosité du fluide magnétorhéologique 12 et donc de générer une force d’amortissement variable, qui dépend du champ magnétique et donc de l’intensité appliquée à l’électroaimant 11. En particulier, l’apparition d’un seuil minimal de cisaillement amène le fluide magnétorhéologique 12 à s’écouler. Au-delà de ce seuil, le fluide magnétorhéologique 12 possède un comportement viscoplastique.
Dans le cas d’un fluide magnétorhéologique 12, la contrainte en cisaillement maximale pouvant être atteinte est comprise entre 50 et 100 kPa (entre 2 et 5 kPa dans le cas d’un fluide 12 électrorhéologique). Par exemple, pour les fluides 12 cités plus haut, la contrainte de cisaillement du fluide 12 MRHCCS4-A (70 m% de particules de fer) et du MRHCCS4-B (80 m% de particules de fer) peut atteindre 40 kPa et 65 kPa respectivement (lorsque l’intensité appliquée est égale à 1 A).
L’électroaimant 11 est alimenté de manière conventionnelle par une alimentation électrique, par exemple en courant continu. De préférence, l’alimentation électrique est réglable afin d’ajuster le courant fourni à l’électroaimant 11 et donc l’intensité du champ magnétique et la contrainte en cisaillement qui en résulte. Le réglage de l’alimentation électrique peut par exemple être réalisé grâce à un bouton de réglage actionnable par l’opérateur afin de modifier en temps réel la contrainte en cisaillement du fluide magnétorhéologique 12 et d’ajuster ainsi l’amortissement des vibrations.
Dans une première forme de réalisation, l’électroaimant 11 peut comprendre un bobinage enroulé autour du piston 14 et/ou de la tige 15 de sorte que le fluide magnétorhéologique 12 s’écoule de part et d’autre de l’électroaimant 11 ou au sein de l’électroaimant 11. Avantageusement, le piston 14 et/ou la tige 15 peut alors servir de noyau ferromagnétique pour l’électroaimant 11. Le piston 14 est en outre logé dans une culasse, comprenant une paroi circonférentielle 21 coaxiale avec le piston 14, qui est configurée pour loger le piston 14 et venir en contact avec la paroi interne du corps 13, et deux couvercles de piston 22 qui sont configurés pour s’étendre de part et d’autre du piston 14 et être fixés un bord annulaire correspondant de la paroi circonférentielle 21. On notera en particulier que la tige 15 est montée sur le couvercle de piston 22 supérieur.
Par exemple, comme illustré sur la , le bobinage est logé dans une rainure annulaire formée au niveau d’une surface radiale externe du piston 14. Cette rainure annulaire ne débouche pas sur la surface supérieure (à proximité de la jonction avec la tige 15) ni la surface inférieure (à l’opposé de la surface supérieure, face à la deuxième chambre 20) du piston 14. Le bobinage est donc sensiblement concentrique avec le piston 14. Un canal annulaire 18 traversant faisant communiquer les deux sections de la première chambre 19 peut alors être formé autour du piston 14 et du bobinage afin de permettre le passage du fluide magnétorhéologique 12 d’une section vers l’autre en longeant le bobinage. Cette forme de réalisation est très simple à réaliser. On notera cependant que seule une petite partie des lignes de champs B générées par l’électroaimant 11 (celles positionnées à proximité des surfaces supérieure et inférieure du piston 14) sont perpendiculaires à l’écoulement du fluide 12 dans le canal annulaire 18, de sorte que la viscosité du fluide rhéologique 12 n’est modifiée que sur une portion restreinte du piston 14. Cette forme de réalisation reste toutefois parfaitement envisageable pour l’amortissement des vibrations d’une machine d’usinage portative 1.
En variante, comme illustré sur la , l’amortisseur 10 comprend un premier bobinage logé dans une première rainure annulaire formée dans une surface supérieure du piston 14 et un deuxième bobinage logé dans une deuxième rainure annulaire formée dans une surface inférieure du piston 14. Ces deux rainures annulaires débouchent sur la surface radiale du piston 14 (qui se trouve en face de la culasse). De manière analogue à la , un canal annulaire 18 traversant faisant communiquer les deux sections de la première chambre 19 peut alors être formé autour du piston 14 et du bobinage afin de permettre le passage du fluide magnétorhéologique 12 d’une section vers l’autre en longeant le bobinage. Cette variante de réalisation est également simple à réaliser. Par ailleurs, dans cette variante de réalisation, les lignes de champs B générées par l’électroaimant 11 sont perpendiculaires à l’écoulement du fluide magnétorhéologique 12, de sorte que la viscosité du fluide magnétorhéologique 12 est plus efficace. En revanche, la réalisation du piston 14 est plus complexe.
Dans une autre variante encore, comme illustré sur la , l’amortisseur 10 comprend un premier bobinage logé dans une première rainure annulaire formée dans une surface supérieure du piston 14 et un deuxième bobinage logé dans une deuxième rainure annulaire formée dans une surface inférieure du piston 14. Toutefois, dans cette forme de réalisation, ces deux rainures annulaires sont formées à distance de la surface radiale du piston 14 et ne débouchent pas dans celle-ci (à la manière de bobines d’Helmholz). Par ailleurs, un canal annulaire 18 traversant faisant communiquer les deux sections de la première chambre 19 est alors formé au sein du piston 14 et du bobinage afin de permettre le passage du fluide magnétorhéologique 12 d’une section vers l’autre en longeant le bobinage. Le canal annulaire 18 présente donc un diamètre inférieur au diamètre interne des bobinages et du piston 14. De préférence, la tige 15 se prolonge au sein du canal annulaire 18, est coaxiale avec le piston 14 et est connectée au piston 14 de sorte à les rendre solidaires. Cette forme de réalisation permet d’obtenir un champ magnétique uniforme et entièrement perpendiculaire à l’écoulement du fluide rhéologique 12. Toutefois, la réalisation du canal annulaire 18 au centre du piston 14 et la connexion de la tige 15 au piston 14 rendent cette variante plus complexe à réaliser.
Dans une variante (non illustrée sur les figures), une ou deux rainures annulaires est (sont) formée(s) dans la tige 15 de l’électroaimant 11 pour recevoir un ou plusieurs bobinages, de manière analogue à ce qui a été décrit ci-dessus en référence aux figures 3a et 3b. Cette forme de réalisation est plus complexe à réaliser. Toutefois, le volume de fluide magnétorhéologique 12 sur lequel l’électroaimant 11 applique le champ magnétique est plus important, ce qui augmente son efficacité.
Optionnellement, le piston 14 et la tige 15 de l’ensemble mobile 14, 15 peuvent être enrobés par une résine epoxy (ou toute autre résine adaptée) afin de protéger l’électroaimant 11 du fluide magnétorhéologique 12.
Par exemple, un amortisseur comprenant : (i) un électroaimant 11 conforme à la première forme de réalisation ( ) comprenant un bobinage formé d’un fil de cuivre vernis d’un millimètre de diamètre, enroulé dans la rainure annulaire d’un piston 14 en fer sur huit couches comprenant chacune onze spires (soit un total de quatre-vingt-huit spires), (ii) un piston dans lequel est formé un canal annulaire 18 de 2.5 mm d’épaisseur et ayant une longueur axiale exposée au champ magnétique de 29 mm permet d’obtenir les champs magnétiques suivants, lorsque l’ensemble mobile 14, 15 est intégré à l’amortisseur 10 (dans le corps 13) :
  • un champ magnétique compris entre - 15 mT et 25 mT pour une intensité égale à 1 Ampères, générant une viscosité dynamique de cisaillement de 5,8 Pa.s pour le fluide MRHCCS4-A et de 7,23 Pa.s pour le fluide MRHCCS4-B ;
  • un champ magnétique compris entre environ - 55 mT et environ 80 mT pour une intensité égale à 4 Ampères, générant une viscosité dynamique de cisaillement de 21,7 Pa.s pour le fluide MRHCCS4-A et de 23,9 Pa.s pour le fluide MRHCCS4-B ;
  • un champ magnétique compris entre environ - 65 mT et environ 95 mT pour une intensité égale à 7 Ampères, générant une viscosité dynamique de cisaillement de 37,6 Pa.s pour le fluide MRHCCS4-A et de 40,5 Pa.s pour le fluide MRHCCS4-B ;
  • un champ magnétique compris entre environ - 80 mT et environ 125 mT pour une intensité égale à 10 Ampères , générant une viscosité dynamique de cisaillement de 53,6 Pa.s pour le fluide MRHCCS4-A et de 57,6 Pa.s pour le fluide MRHCCS4-B.
Quelle que soit l’intensité générée par l’électroaimant 11, le champ magnétique se propage sur une distance (par rapport au plan moyen de l’électroaimant 11) de l’ordre de 17 mm de part et d’autre du piston 14.
Dans le cas où le fluide intelligent 12 comprend un fluide 12 électrorhéologique, le générateur 11 électrique peut par exemple comprendre un condensateur. Pour cela, le condensateur comprend deux électrodes placées l’une en face de l’autre. Par exemple, le générateur 11 électrique peut comprendre un condensateur cylindrique. Dans une première forme de réalisation, le piston 14 de l’ensemble mobile 14, 15 joue le rôle de la première électrode tandis que le corps 13 de l’amortisseur 10 joue le rôle de la seconde électrode. Dans une deuxième forme de réalisation, les deux électrodes peuvent être intégrées au piston 14.
Afin d’assurer l’étanchéité de l’amortisseur 10 tout en permettant la possibilité de le démonter aisément, l’amortisseur 10 comprend en outre des joints d’étanchéité statique et dynamique. En particulier, l’amortisseur 10 peut comprendre :
  • un joint d’étanchéité statique 25 entre la partie tubulaire 23 du corps 13 (qui reçoit le fluide magnétorhéologique 12 et l’ensemble mobile 14, 15) et le couvercle supérieur 24 du corps 13 (portion du corps 13 qui est traversée par la tige 15 et ferme la première chambre 19) ;
  • un joint d’étanchéité statique 30 entre la tige 15 et le piston 14 de l’ensemble mobile 14, 15 ;
  • au moins un joint d’étanchéité dynamique 26, 27 entre le couvercle supérieur 24 et la tige 15 de l’ensemble mobile 14, 15 ;
  • un joint d’étanchéité dynamique 28 entre le piston flottant 16 et la partie tubulaire 23 du corps 13 (type joint racleur) ; et
  • optionnellement, un joint d’étanchéité dynamique 29 entre le piston 14 de l’ensemble mobile 14, 15 et la partie tubulaire 23 du corps 13.
Les joints d’étanchéité statiques peuvent notamment comprendre l’un quelconque des joints suivants : un joint plat découpé, un joint torique en élastomère, un joint quatre lobes.
Dans une forme de réalisation, le joint d’étanchéité statique entre la partie tubulaire 23 et le couvercle supérieur 24 du corps 13 comprend un joint torique. Ce type de joint est en effet facile à monter et à remplacer et peut être aisément trouvé. Il est en particulier possible d’utiliser un joint torique en nitrile, qui est un matériau compatible avec les fluides magnétorhéologiques 12.
Lorsque le piston 14 et la tige 15 sont enrobés par une résine époxy, cette résine forme un joint d’étanchéité statique de sorte qu’il n’est pas nécessaire de rapporter un joint complémentaire sur l’ensemble mobile 14, 15.
Les joints d’étanchéité dynamiques peuvent être l’un au moins des exemples de joint suivants : un joint en élastomère ou en polyuréthane ayant une vitesse de fonctionnement de l’ordre de 0.5 m/s ; un joint composite double effet en élastomère et en polytétrafluoroéthylène ayant une vitesse de fonctionnement de l’ordre de 5 m/s ; un joint composite en V en inox et en polytétrafluoroéthylène ayant une vitesse de fonctionnement de l’ordre de 15 m/s. De préférence, les joints d’étanchéité dynamique comprennent un joint comprenant du polytétrafluoroéthylène compte-tenu de sa résistance chimique et thermique (compatibilité avec les fluides 12 magnétorhéologique). Dans une forme de réalisation, entre le couvercle supérieur 24 et la tige 15 de l’ensemble mobile 14, 15, l’amortisseur 10 comprend un joint d’étanchéité dynamique de type joint de tige 26, pour empêcher une fuite du fluide vers l’extérieur et un joint d’étanchéité dynamique de type joint racleur 27 pour empêcher les impuretés de pénétrer dans l’amortisseur 10.
La fixation de l’amortisseur 10 sur la machine d’usinage portative 1 dépend du type de machine. Par exemple, dans le cas où la machine d’usinage portative 1 comprend un bras de fraisage léger qui comprend, de manière connue en soi, une tête de fraisage (outil d’usinage 3) montée sur un support 2 par l’intermédiaire d’une liaison glissière verticale 4 et d’une glissière horizontale 5 via une équerre 6 ( ), l’amortisseur 10 peut être monté sur l’équerre 6 entre les deux glissières 4, 5. En particulier, comme cela est illustré sur la , la tige 15 de l’amortisseur 10 peut être montée sur la glissière verticale 4 tandis que le corps 13 de l’amortisseur 10, à l’opposé de la tige 15, est monté sur la glissière horizontale 5, de sorte que l’axe de coulissement de l’ensemble mobile 14, 15 forme un angle compris entre 30° et 80° par rapport au plan comprenant la glissière horizontale 5 du support 2. De préférence, cet angle est compris entre 40° et 60°.
On comprendra aisément que cette configuration permet un montage et un démontage faciles de l’amortisseur 10.
En variante, l’amortisseur 10 peut être placé entre la tête de fraisage et la glissière verticale 4.
Exemple de réalisation
Un essai a été réalisé avec un bras de fraisage léger conventionnel (non équipé d’un amortisseur 10 conforme à l’invention) et d’un bras de fraisage léger conforme à un mode de réalisation de l’invention (comprenant un amortisseur 10 ayant une configuration monotube avec un ressort en compression 17, un fluide magnétorhéologique 12 MRHCCS4-A et un électroaimant 11 comprenant la bobine décrite ci-dessus (88 spires, fils de cuivre vernis d’un millimètre, etc.)). Le piston 15 était en acier S235JR et présentait un diamètre de 33,80 mm. Le canal annulaire 18 mesurait 2.5 mm d’épaisseur (dimension mesurée suivant un axe radial à l’axe de coulissement) et la longueur axiale (suivant un axe parallèle à l’axe de coulissement) exposée au champ magnétique était de 29 mm. Le diamètre de la culasse 21, 22 était de 44,5 mm. Les couvercles 22 de la culasse étaient en aluminium 2017A. Le volume de la première chambre 19 (contenant le fluide magnétorhéologique 12) était de fluide 96 700 mm3. La raideur du ressort en compression 17 était de 100 N.mm et le ressort 17 était comprimé de 13 mm soit un effort de 1300 N, ce qui correspond à une pression dans la première chambre 19 de 8,3 bars environ.
L’essai a été réalisé avec un ordinateur muni d’une carte d’acquisition et d’un logiciel de traitement du signal permettant de calculer la fonction de réponse en fréquence (carte d’acquisition de marque Labview NI cDAQ 9174 et 9122), une alimentation Eventek KPS3010D pour l’amortisseur 10 et un accéléromètre tri-axe type 4535B. La tige 15 de l’amortisseur 10 a été montée sur la glissière verticale 4 et le corps 13 de l’amortisseur 10 a été monté sur la glissière horizontale 5 par l’intermédiaire de liaisons pivot, de sorte que l’axe de coulissement forme un angle de 45° avec le plan de la glissière horizontale 5.
L’essai a été réalisée avec les paramètres suivants :
  • vitesse d’avance du bras : 1,16 mm/s
  • vitesse de rotation de la broche : 350 tr/min
  • profondeur de passe : 1 mm.
  • matière : Acier de dureté 100 HB.
  • courant d’alimentation de l’amortisseur 10 : 10 ampères.
Les tensions mesurées aux chocs, sans amortisseur, étaient en moyenne pour X ; Y et Z : 0,42 mV ; 0,21 mV et 0,30 mV, respectivement. Les tensions mesurées aux chocs, avec l’amortisseur 6 alimenté à 10 A, étaient en moyenne pour X ; Y et Z : 0,36 mV ; 0,27 mV et 0,25 mV mV, respectivement.
La réponse des deux systèmes a été mesurée avec l’accéléromètre. Comme cela ressort des figures 5a et 5b, on observe des chocs toutes les 0,184 secondes. Ceux-ci représentent le moment où la broche entre dans la matière et procède à l’usinage du matériau. Ces chocs ont alors pour fréquences 5,43 Hz. Il ressort en particulier de la comparaison des figures 5a et 5b une diminution en temps réel de l’intensité des vibrations grâce à un amortisseur 10 d’environ 30 %.
Les essais ont en outre permis de montrer que l’amortisseur 10 présentait une force d’amortissement de l’ordre du kilonewton, est calibré pour amortir jusqu’à une amplitude de déformation d’un millimètre aux hautes fréquences (≥ 10 kHz) et environ 30 % l’intensité de ces vibrations en basse fréquence.

Claims (14)

  1. Machine d’usinage portative (1) comprenant :
    un outil d’usinage (3) ;
    un support (2) et
    un amortisseur (10), monté entre le support (2) et l’outil d’usinage (3) ;
    la machine d’usinage portative (1) étant caractérisée en ce que l’amortisseur (10) comprend un fluide intelligent (12) et un générateur (11) configuré pour appliquer un champ sur le fluide intelligent (12) afin d’en modifier la viscosité de sorte à ajuster une réponse de l’amortisseur (10).
  2. Machine d’usinage portative (1) selon la revendication 1, dans laquelle l’amortisseur (10) comprend :
    un corps (13), monté sur l’un parmi l’outil d’usinage (3) et le support (2), le fluide intelligent (12) étant logé dans le corps (13) ; et
    un ensemble mobile (14, 15) comprenant un piston (14) et une tige (15), monté sur l’autre parmi l’outil d’usinage (3) et le support (2).
  3. Machine d’usinage portative (1) selon la revendication 2, dans laquelle l’amortisseur (10) est monotube et comprend en outre un ressort de compression (17), monté entre le corps (13) et le piston (14).
  4. Machine d’usinage portative (1) selon l’une des revendications 2 ou 3, dans laquelle le fluide intelligent (12) comprend un fluide magnétorhéologique et le générateur (11) comprend un électroaimant configuré pour appliquer un champ magnétique sur le fluide intelligent (12).
  5. Machine d’usinage portative (1) selon la revendication 4, dans lequel l’électroaimant (11) est monté sur le piston (14) ou la tige (15) de l’ensemble mobile (14, 15).
  6. Machine d’usinage portative (1) selon la revendication 5, dans laquelle le piston (14) comprend au moins une rainure annulaire dans laquelle est logé l’électroaimant (11) et au moins un canal traversant formé à proximité de la rainure annulaire et configuré pour permettre un écoulement du fluide magnétorhéologique à proximité de l’électroaimant (11).
  7. Machine d’usinage portative (1) selon l’une des revendications 2 ou 3, dans laquelle le fluide intelligent (12) comprend un fluide électrorhéologique et le générateur (11) comprend un condensateur configuré pour appliquer un champ électrique sur le fluide intelligent (12).
  8. Machine d’usinage portative (1) selon l’une des revendications 2 à 7, comprenant en outre un premier joint d’étanchéité statique (25) monté entre la tige (15) et le piston (14) et un deuxième joint d’étanchéité statique monté entre la tige (15) et le corps (13), le premier et/ou le deuxième joint d’étanchéité statique comprenant l’un au moins des joints suivants : un joint composite double effet en élastomère et en polytétrafluoroéthylène ; un joint composite en V en inox et en polytétrafluoroéthylène.
  9. Machine d’usinage portative (1) selon l’une des revendications 2 à 8, dans laquelle l’amortisseur (10) est monté sur le support (2) par l’intermédiaire d’au moins une glissière (4, 5), de préférence entre une glissière (5) montée sur le support (2) et une glissière (4) montée sur l’outil d’usinage (3).
  10. Machine d’usinage portative (1) selon la revendication 9, dans laquelle l’ensemble mobile (14, 15) de l’amortisseur (10) est mobile en translation suivant un axe de coulissement qui est incliné d’un angle compris entre 30° et 80° par rapport à l’au moins une glissière (4, 5).
  11. Machine d’usinage portative (1) selon l’une des revendications 1 à 10, comprenant en outre une alimentation électrique réglable configurée pour alimenter le générateur (11) et générer un champ réglable.
  12. Amortisseur (10) pour une machine d’usinage portative (1) selon l’une des revendications 1 à 11, ledit amortisseur (10) étant configuré pour être monté entre le support (2) et l’outil d’usinage (3) de la machine d’usinage portative (1) et comprenant un fluide intelligent (12) et un générateur (11) configuré pour appliquer un champ sur le fluide intelligent (12) afin d’en modifier la viscosité de sorte à ajuster une réponse de l’amortisseur (10).
  13. Procédé d’usinage à l’aide d’une machine d’usinage portative (1) selon l’une des revendications 1 à 11, comprenant les étapes suivantes :
    S1 : assembler la machine d’usinage portative (1) sur une installation à usiner ;
    S2 : usiner l’installation ; et
    S3 : simultanément à l’étape S2, appliquer un champ sur le fluide intelligent (12) afin d’en modifier la viscosité de sorte à ajuster une réponse de l’amortisseur (10) de la machine d’usinage portative (1).
  14. Procédé d’usinage selon la revendication 13, dans lequel l’amortisseur (6) est monotube et comprend un corps (13), monté sur l’un parmi l’outil d’usinage (3) et le support (2), le fluide intelligent (12) étant logé dans le corps (13), un ensemble mobile (14, 15) comprenant un piston (14) et une tige (15), monté sur l’autre parmi l’outil d’usinage (3) et le support (2) et un ressort de compression (17), monté entre le corps (13) et le piston (14), le procédé comprenant en outre une étape d’adaptation du ressort de compression (17) en fonction de l’installation à usiner.
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CN116511981A (zh) * 2023-06-21 2023-08-01 南京航空航天大学 一种铣削机器人加工振动抑制装置

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