Brevet FR2225815A1 — publié le 19741108

invention concerna un procédé de concentration de rayons corpusculaires avec un dispositif de focalisation, en particulier en vue de l'usinage et de l'attaque de matières métalliques et céramiques, ainsi qu'un dispositif pour l'exécution du procédé. Les problèmes en ce qui concerne l'usinage de pièces métalliques peuvent, d'une façon générale, entre considérés comme résolus. Seules des matières spéciales comme celles utilisées pour des pièces fortement sollicitées, comme par exemple les ailettes de turbines, présentent des difficultés. Les constituants alliés de ces matières les améliorent à un point tel qu'un usinage avec les outils habituels est très difficile, sinon impossible. Un autre problème, en particulier avec les machines-outils conteuses, est la surveillance des machines Celles-ci doivent , autant que possible , travailler à l'heure, pour tenir les frais d'investissement à un bas niveau, et, d'autre part, la main-d'oeuvre prote à travailler la nuit est toujours plus rare, de sorte qu'il faut trouver des moyens et des voies qui permettent à une machine-outil de travailler même sans surveillance. Mais à cette entière automatisation s'oppose le problème encore incomplètement résolu de dominer la production de copeaux.Sur une machine-outil sans surveillance,il peut arriver qu'il se forme subitement des types de copeaux qui engorgent progressivement l'espace de travail de la machine, et peuvent conduire à la rupture des outils, des moyens de serrage ou de pièces de la machine, de sorte que, dans la plupart des cas, la pièce est à rebuter. Pour éviter ceci il faut, sur les automates pour la fabrication en grande série, prévoir des temps de préparation considérablement allongés pour la vérification des positions correctes de coupe, des étages de guidage des copeaux, etc. Jusqu'à un fonctionnement correct de l'automate, il faut une perte importante en pièces d'essai. toutefois, avec les machines-outils comman dées numériquement pour pièces de moyennes et de grandes dimensions, ce procédé employé jusqu a présent avec succès, n'est toutefois plus possible, parce que, d'une part l'importance des lots est plus petite et que l'on ne peut, par suite sacrifier de nombreuses pièces, et, d'autre part, la quantité de matière à enlever croît avec la grandeur de la pièce. La mise en service avec succès de machines N C , en conduite de plusieurs machines ou an marche à trois postes sans surveillance, dépend, par suite, d'une façon décisive de la maitrise de la formation de copeaux. Le but de l'invention est donc la solution d'un problème semblant au premier abord étranger, à savoir l'usinage de formes défavorables en matières difficiles à usiner, par enlèvement de copeaux, et la maîtrise de la formation de copeaux pour les métaux donnant de longs copeaux. Mais partant du fait qu'un copeau n'est pas autre chose qu'une bande de tole étroite et mince qui doit entre détachée, on arrive à la conclusion que les deux problèmes peuvent entre résolus par le mme procédé. Ce procédé, qui utilise des rayons corpusculaires concentrés pour l'enlèvement ou la vaporisation de matières métalliques, est caractérisé en ce que le faisceau corpusculaire est transformé dans un système optique en fibres de verre, en un faisceau rectangulaire et, dans le dispositif de focalisation faisant suite, en une ligne focale. Avec le développement des rayons dits lasers, on dispost de rayons transportant de l'énergie, avec des propriétés connues, qui, concentrés par focalisation sur un endroit minuscule, peuvent créer des températures largement supérieures au point de fusion des métaux et, naturellement, d'autres matières aussi. Cette propriété peut etre utilisée pour un enlèvement de métal. On donnant déjà des appareils à rayon laser qui peuvent couper une tole d'acier de 0,5 mm d'épaisseur, avec une vitesse d'avance allant jusqu'à 300 mm/mih, et ainsi égaler à peu près l'oxydécoupage traditionnel en puissance de coupe.L'inconvénient de ce procédé par rapport a' celui suivant l'invention, c'est qu'il n'y a pas une coupe continue dans la tale, mais qu'elle dépend de la fréquence des impulsions, la température de fusion ou de vaporisation étant créée à chaque impulsion, de sorte qu'il est découpé dans la tôle une succession de trous. Par contre, d'après le procédé suivant l'invention, il ne sera pas créé de foyer mais une ligne focale, avec comme résultat une coupe linéaire. Le dispositif pour exécuter le proHsdé est constitué de telle sorte qu'à partir d'un émetteur de rayons, est disposé un faisceau de fibres conductrices de lumière constituant le système optique à fibres de verre composé de fibres individuelles conductrices de lumière groupées en cercle et entourées d'une enveloppe, le faisceau tant dispos en rectangle à sa partie extrême, et de sorte que le dispositif de focalisation constitué par un système optique de verre cylindrique, est raccordé à la suite. Pour obtenir une certaine ligne de coupe, le système optique de verre est composé de plusieurs systèmes optiuvs individuels cylindriques, Pour usiner des pièces cubiques auxquelles il faut tonner une forme difficile, des pièces d'aubes de turbines par exemple, sont disposées, déplaçables sur un support de pièces, plusieurs dispositifs de focalisation, et le faisceau de fibres conductrices de lumière est divisé en un nombre correspondant de conducteurs de lumière allant aux dispositifs de focalisation. Dans une autre disposition de l'invention pour maltriser la formation de copeaux lors de l'usinage produisant des copeaux, de pièces en métal du type à longs copeaux, la pièce à usiner est montée sur une machine-outil et le dispositif de focalisation a son axe focal braqué sur le copeau en cours. On obtient ainsi que le copeau en cours soit détérioré suivant la fréquence d'impulsions de l'émetteur de rayon et en fonction de la vitesse de coupe, une certaine profondeur de volatilisation étant obtenue dans la matière, de sorte que le copeau sortant se brise en courts morceaux. Pour aider à la cassure des copeaux on peut utiliser des moyens mécaniques supplémentaires contre lesquels, par exemple, vient buter le copeau, ce qui améliore les conditions de cassure En vue d'adapter l'émetteur de rayons aux différentes conditions, il est réglable en fréquence et en intensité. De même le dispositif de focalisation est pourvu d'un mécanisme d' ajustage. ' e realisation seront expliqués en détail ci-dessous, à l'aide e dessins. On voit Fig. 1 un dispositif pour formation mais trisée de copeaux sur un tour Fig 2 une coupe suivant la liane Il-Il dans la figure 1 ; et Fig. 3 un aispositif pour la création de lignes focales non droites. Sortant d'un émetteur de rayons 1, les rayons lasers 2 sont dirigés vers l'entrée 3 d'un faisceau de fibres conductrices de lumière 4, constitué par des fibres conductrices de lumière individuelles 5, entourées d'une enveloppe 6. Ce faisceau de fibres conductrices de lumière 4 a tout d'abord une section ronde qui se transforme à son extrémité 7 en une section rectangulaire 8. l'enveloppe est alors repérée 6' et remplit la mme fonction que l'enveloppe circulaire 6. Au faisceau de fibres conductrices de lumière 4 système optique à fibres de verre) se raccorde le dispositif de focalisation 9. Ce dispositif de focalisation 9 est composé d'un système optique de verre 10, et d'un mécanisme d'ajustage 11. Ce système optique de verre 10 transforme les rayons 2 en une ligne focale 12.Cette ligne focale 12 est dirigée, ajustée par le mécanisme d'ajustage 11, sur une pièce en rota tlon 13, la ligne focale arrivant exactement à la surface de la pièce. La pièce 13 tournant à une certaine vitesse est attaque par un outil de tour 14, qui se déplace en travaillant dans le sens axial avec une avance 15, ce qui provoque le prélèvement d'un copeau de largeur 17. L'outil de tour 14 laisse derrière lui une surface due à l'angle de réglage, sur laquelle est dirigé le rayon laser linéairement concentré 2, avec sa ligne focale 12.Avec les températures élevées telles qu'il s'en produit par les rapides décharges, la ligne focale braye jus qu a une profondeur 18 la surface jusqu'alors intacte, c'est-àdire par fusion et/ou par volatilisation. Les décharges se succédant en microsecondes provoquent dans la surface de la pièce des creux lonbizuainaux 19 à des intervalles 20 qui dépendent de la fréquence des impulsions, de la vitesse de la pièce, et de son ismètre. La surface de la pièce 13 ainsi entaillée revient, au tour suivant, à l'outil de tour, qui ne prélève par suite pas de copeau continu mais un copeau interrompu, suivant la division 20. On peut déjà voir d'après ces dessins que le procédé suivant l'invention, actionne sur la matière au moyen d'une ligne focale créée par un rayon corpusculaire, est applicable dans plusieurs domaines d'usinage g est ainsi qu'avec ce dispositif remplaçant un dispositif de da'coupage, on peut diviser une bande en plusieurs parties, La figure 3 montre l'utilisation du procédé pour la fabrication de pièces aux formes compliquées et en matières difficiles à usiner (aciers spéciaux, céramique). Le faisceau de fibres conductrices de lumière sera, en rangeant différemment les fibres conductrices de lumière, transformé en un rectangle 6t comme dans la description faite précédemment.Les rayons 2 sortant perpendiculairement du rectangle 6' et dont quelques-uns seulement sont représentés, arrivent sur le système optique en verre 10' qui est divisé en de nombreuses tranches 23, qui, suivant conception, ne doivent avoir qu'une très faible épaisseur 24. La tranche ayant 25 est décalée par rapport à la deuxième tranche 26 d'ure coté 27 et crée dans le plan focal 28 parallèle au rectangle 6t du faisceau de fibres conductrices de lumière, un segment partiel 29 de la ligne focale 12' (tracé en traits forts). La deuxième tranche 26 qui a par rapport à la troisième tranche 32 , un décalage repéré 30, crée le segment droit de ligne focale 31, qui a la longueur de l'épaisseur 24 de la tranche et ainsi de suite.On obtient ainsi dans le plan 28, une ligne focale brisée 12', dont les différents segments se succèdent en escalier et dont la longueur totale 33 dépend de la longueur 36 du système optique cylindrique 10'. Les segments 21 et 22 de la ligne focale 12' (en pointillés) qui relient les segments 29 et jl, etc., sont produits dans une deuxième opération avec un système optique en principe constitué identique, mais basculé de 900 parallèlement au plan focal 28. Par un meulage approprié du système optique en verre, ce dont il ne peut être question que pour des pièces de grande série en raison des frais relativement élevés, on peut aussi obtenir des lignes focales courbes. Pour augmenter la densité de puissance on peut concentrer la puissance de plusieurs (quatre par exemple) émetteurs de rayon sur un rectangle commun de sortie, disposé au-dessus du système optique cylindrique. Par des dispositifs d'aspiration ou de soufflage, on peut écarter le nuage brûlant formé par la volatilisation de particules de matière ; avant tout il faut protéger le système optique. Comme exemple d'applicqtion du procédé suivant quelques données sur l'usinage d'un pied d'une aube de turbine (non re résenté). Pour une ligne focale profilée dans le plan horizontal par un système optique spécial, avec une longueur du pied d'une aube moyenne de 80 mm environ on utilisera quatre émetteurs de rayons de chacun 10 joules d'énergie d'impulsion de capacité électrique de travail. La ligne focale découpe le profil verticalement du haut vers le bas, avec une largenr d'entaille d'environ 0,02 mm par exemple. Pour une fréquence d'impulsions admise de 25 Hz et une avance verticale de la pièce ou du dispositif de 300 mm/min en admettant 0,2 mm par impulsion, le temps d'usinage ressortira à moins d'une minute. La précision dépend de celle de la fabrication du système spécial optique cylindrique, et du guidage précis dans le dispositif d'avance. R E V E N D I C A T I O N S 1. Procédé pour la concentration de rayons corpusculaires, avec un dispositif de focalîsation, en vue particulièrement de l'usinage ou de l'attaque de matières mtalli- ques et céramiques, caractérisé en ce que le rayon corpuscu raire (2) est, dans un système opticue à fibres de verre, transformé en un faisceau rectangulaire et, dans le dispositif defo calisation monté à la suite, en une ligne focale (12). 2. Dispositif pour l'exécution du procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que à partir d'un émetteur de rayons (1), un faisceau de fibres conductrices de lumière constituant le système optique à fibres de verre et constitué de fibres individuelles conductrices de lumière (5) entourées par une venveloppe (6) est de section circulaire et de section rectangulaire à sa partie extrême (7), et en ce qu'à la suite, est raccordé le système optique cylindrique en verre (10) constituant le dispositif (q) de focalisation. 3. Dispositif suivant la revendication 2,ca- ractérisé en ce que le système optique en verre (10) est composé de plusieurs systèmes optiques cylindriques particuliers. 4. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 2 ou 3 caractérisé en ce que sur un support de pièce déplaçable sont disposés plusieurs dispositifs de focali sation pour l'usinage de pièces cubiques, et en ce que le faisceau de fibres conductrices de lumière (4) est divisé en un nombre correspondant de conducteurs de lumière allant aux dispositifs de focalisation. 5. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 2 à 4 pour une formation maîtrisée de copeaux lors de l'usinage par enlèvement de copeaux de pièces en un métal donnant de longs copeaux, caractérisé en ce que la pièce (13) est montée sur une machine-outil, le dispositif de focali sation (9) ayant sa ligne focale (12) braquée sur le copeau en cours. 6. Dispositif suivant la reveldzioe i, caractérisé en ce que l'émetteur de rayons (1) est réglable en fréquence et en intensité. -7. Dispositif suivant l'une queiconque des revendications 5 ou o caractérisé en ce que le dispositif de focalisation (9) est pourvu d'un mécanisme de réglage (11).