Brevet FR2214545A1 — publié le 19740819

L'invenbion concerne le domaine de l'usinage des métaux par coupe, plus particulièrement les outils de coupe à stabilité élevée obtenue grace à la compensation des forces éleftromotricesthermiques engendrées dans la zone de coupe. l'invention peut etre appliquée aux outils composites dont l'élément de coupe est fixé d'une manière connue quelconque dans un support, et pendant la coupe est utilisé un liquide de refroidissement. La compensation des forces électromotrices thermiques assure l'accroissement le plus sensible de la stabilité de Itélément de coupe dans les cas où l'usure de l'arête d'attaque de l'outil s'explique par la présence de courants thermoélectriques crinsidérables circulant à travers la zone de coupe, par exemple au cours de l'usinage des alliages de titane à l'aide d'un outil en alliage dur. L'influence néfaste des courants thermoélectriques sur la stabilité de outil de coupe est un facteur bien connu pendant le travail de l'outil, le matériau à usiner et le matériau de l'élement de coupe sont en contact et forment un thermocouple naturel qui, sous l'effet de la température élevée, développe une force électromotrice thermique et, en présence d'un circuit fermé pièce -outil-machine-pièce, crée un courant électrique provoquant une usure supplémentaire de l'outil. les nombreuses études entreprises dans ce domaine ont montré que la suppression dudit courant (coupure dudit circuit) eut accroître la stabilité de 11 outil de deux ou trois fois (voir l'ouvrage de Bobrovsky V.A. "l'usure des outils par électrodiffusion". Editions "Constructions Mécaniques" 1970). On a proposé différents moyens d'isolement de l'outil de coupe par rapport à la machine-outil afin de couper le circuit par lequel passe le courant thermoélectrique. Il en a résulté un accroissement sensible de la stabilité de l'outil, mais il faut bien reconnaître que ces moyens connus d'isolement de l'outil présentent ute une série d'inconvénients limitant leur domaine d'application; par exemple, en cas de coupe avec utilisation d'un liquide d refreidissement, la résistance de l'isolation diminue et T curan thermolce-rique passant à travers l'outil augmente, ce qui a pour effet de réduire la stabilité de l'outil. Ces moyens d'isolement nécessitent en outre une vérification périodique de l'isolation, ce qui n'est pas toujours commode à réaliser et entraîne des difficultés dans l'utilisation de l'outil. On connaît également le brevet RFL NO 923100 (cl. 49A) concernant un dispositif pour le maintien du courant thermoélectrique à un niveau n'ayant presque aucune influence sur la stabilité de outil. Ce dispcsitif est constitué par un amplificateur magnétique, un circuit magnétique dans l'entrefer duquel se trouve une résistance commandée; un redresseur pour l'alimentation du circuit magnétique et une source de courant continu avec un rhéostat pour la régulation du régime de l'amplificateur magnétique.Le principe de fonctionnement d'un tel dispositif consiste en ce que la valeur de la résistance commandée intercalée dans le circuit en série avec l'outil isolé de la machine-outil se modifie en fonction de l'importance du flux magnétique dans l'entrefer du circuit magnétique où elle se trouve. le circuit magnétique est à son tour alimenté par un amplificateur magnétique commandé par le courant thermoélectrique passant à trvers l'outil au cours de la coupe. Lors de l'accroissement du courant thermoélectrique, l'amplificateur magnétique accroît le flux magnétique du circuit magnétique et augmente ainsi la valeur de la résistance commandée. Cela a pour effet de réduire le courant thermoélectrique. Ce dispositif connu est exécuté sous forme d'un bloc séparé fixé sur l'outil de coupe et alimenté à partir du secteur alternatif. L'inconvénient d'un tel dispositif résid-e dans sa construction complexe, dans la nécessité de prévoir des moyens d'amenée du courant d'alimentation et dans le coût élevé du dispositif. Un tel dispositif ne peut, en outre, être utilisé sur les machines automatiques où les têtes à outils multiples comportent des logements dans lesquels sont fixés les outils et dont les dimensions sont relativement restreintes. Le but de la présente invention est de mettre au point un outil de coupe dans lequel la compensation de la force électromotrice thermique engendrée dans la zone de coupe serait assurée par la construction même de ltoutll, sans faire appel à une source d'alimentation supplémentaire, à des connexions ou à l'isolement de l'outil par rapport à la machine. Ce problème est résolu du fait que dans un outil de coupe comportant un élément de coupe disposé sur un support, et une source de courant électrique pour la compensation des forces électromotrices thermiques engendrées dans la zone de coupe, selon l'invention, la source de courant électrique est obtenue à l'aide d'un élément intercalaire formant une électrode thermique disposée entre l'élément de coupe et le support et se trouvant en contact électrique avec ces derniers, le matériau, la forme et les dimensions géométriques de l'électrode thermique étant choisis de façon que la force électromotrice thermique totale engendrée par l'électrode thermique, l'élément de coupe et le support soit compensée par la force électromotrice thermique se formant dans la zone de coupe. Selon l'une des variantes de réalisation de l'invention, l'élément de coupe peut comporter une partie adjacente au support et électriquement isolée de ce dernier, la connexion électrique entre l'élément de coupe et le support étant assurée par I 'élément intercalaire formant électrode. Il est préférable que l'isolement électrique de l'élément de coupe par rapport au support soit assurépar-unentrefer prévu entre la partie de l'outil adjacente au support et le support lui-même. Cet entrefer entre l'élément de coupe et le support coupe le circuit électrique supplémentaire entre l'élément de coupe et le support, ce qui permet d'accroître le courant de compensation. L'entrefer entre l'élément de coupe et le support peut avantageusement être garni d'un isolant électrique empêchant la pénétration des copeaux dans l'entrefer, donc la formation d'un contact électrique supplémentaire entre l'élément de coupe et le support. Selon l'une des variantes de réalisation de l'invention, l'élé- ment intercalaire formant électrode est en alliage nickel-chrome connu sous le nom commmercial "chromel". Selon une autre variantè de réalisation de l'invention, l'élément intercalaire formant électrode est en alliage cuivrenickel connu sous le nom commercial "copel". Il est préférable toutefois, que ledit élément intercalaire soit en nickel. L'utilisation du chromel, du copel, ou du nickel pour constituer l'électrode thermique s'explique par le fait que ces matériaux développent une force électromotrice thermique maximale quand ils forment des thermocouples avec d'autres métaux. La construction proposée de l'outil se distingue avantageusement de celle des outils connus par sa simplicité ainsi que par la possibilité de fabriquer des outils de petites dimensions pour les machines-outils àutomatiques. Au cours de l'exploitation, l'outil proposé n'est pas isolé de la machine, on-n'a pas besoin d'alimentation électrique ou de connexions électriques quelconques. l'outil proposé peut être utilisé avec succès sur les machines-outils à commande programmée, étant donné que la stabilité de sa face d'attaque est améliorée, ce qui lui permet de travailler pendant un temps prolongé sans être remplacé. D'autres objectifs et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description dédillée qui va suivre, d'un exemple non limitatif de réalisation illustré par le dessin unique annexé qui représente - la figure 1, un outil de tour conforme à l'invention (section longitudinale); - la figure 2, idem, vue de devant; - la figure 3, idem, vue en plan; - la figure 4, le schéma électrique équivalent du circuit machine-pièce-outiî-machine Sur un support 1 (figures 1,2,3 sont soudés un élément de coupe 2 et un élément intercalaire formant électrode thermique 3, ce qui crée, au cours du fonctionnement, un joint chaud avec l'élément de coupe 2, et un joint froid avec le support 1. Afin que la connexion électrique entre l'outil de coupe 2 et le support i s'opère seulement par l'intermédiaire de l'électrode 3, et qu'il ne soit pas créé un thermocouple supplémentaire entre le support 1 et l'élément de coupe 2, un entrefer 4 prévu entre la partie de l'élément de coupe 2 adjacente au support 1 et le support 1 lui-même isole électriquement l'outil 2 par rapport au support 1. l'entrefer 4 est garni d'un isolant électrique s'opposant à la pénétration des copeaux dans ledit entrefer pendant le fonctionnement de l'outil. Comme matériau électrique isolant il est possible d'utiliser une matière plastique quelconque résistant à des températures de 250 à 3000C. La valeur de la force électromotrice thermique de compensation (force électromotrice thermique globale développée aux frontières de séparation de l'électrode thermique) dépend de la différence de température, c'est pourquoi la partie du support 1 située à proximité de l'électrode thermique 3 comporte une surface nervurée 5 pour le refroidissement du joint froid entre l'électrode thermique 2 et le support. la surface nervurée 5 du support 1 adjacente à l'électrode thermique favorise la réduction de la température à la frontière de séparation entre l'électrode thermique 2 et le support 1, ce qui, finalement, entraîne un accroissement de la force électromotrice thermique de compensation. L'électrode thermique 5 doit être montée dans l'outil de coupe aux endroits où se manifeste le gradient de température le plus élevé, de façon que la différence de température à ses joints, avec ltélément d'e coupe 2 et le support 1 soit maximale, et que la différence de température des différents points à chaque joint soit minimale, La température -à la frontière de séparation entre l'élément de coupe 2 et l'électrode thermique 3 sera supérieure à celle s + ] ] ne entre l'électrode thermique 3 et le support 1. le matériau de l'électrode thermique est choisi de façon que dans son couple avec le matérile l'élément de coupe il engendre une force électromotrice thermique de même signe que celle du matériau à usiner, mais de valeur supérieure.La force électromotrice thermique globale développée aux frontières de séparation de l'électrode thermique sera de signe opposé à celle développée dans la zone de coupe, car la force électromotrice thermique de l'élément de coupe est de mssme signe que celle du matériau à usiner et de l'électrode thermique, tandis que la température à la frontière de séparation entre l'outil et l'électrode thermique est supérieure à celle existant à la frontière de séparation entre l'électrode thermique et le support les matériaux convenant le mieux pour les électrodes thermiques sont le chromel, le copel et le nickel, qui développent la force électromotrice thermique la plus intense dans les couples avec d'autres métaux. La forme de l'électrode thermique peut varier. Par exemple, pour les outils de tournage elle est en forme de pastille, pour les fraises cylindriques, en forme de douille, etc... le choix de la forme de l'électrode thermique " dépend de la répartition des champs de température dans l'outil. Le principe de fonctionnement de l'outil proposé s'explique facilement à l'aide du schéma électrique équivalent du circuit fermé : machine-pièce-outil-machine (figure 4). Tous les éléments de circuit disposent en règle générale de propriétés thermoélectriques différentes et, quand ils se trouvent en contact électrique mutuel forment des joints de thermocouples en série. Les températures des joints formés étant différentes, le circuit électrique sera parcouru dans tous les cas, par un courant thermoélectrique. Sur la figure 4, est représenté le schéma équivalent du circuit-machine-piece-outil-machine pour le cas où on utilise un outil de coupe pourvu d'une électrode thermique pour la compensation de la force électromotrce thermique engendrée dans la zone de coupe. Sur cette figure 6 est la résistance deorganes de la machine, les résistances de transition dans les paliers, les fixations et les autres assemblages de la machine; 7, la résistance de la pièce; 8, la résistance de l'élément de coupe; 9, la résistance de l'électrcde thermique 10, la résistance du support de l'outil. Entre ces résistances, sont intercalées les sources de force électromotrice thermique résultant des différences de température aux différents points du circuit, ainsi que des propriétés thermoélectriques différentes des diverses parties du circuit, soit 11 - force électromotrice thermique engendrée entre la machine et la pièce; 12 - force électromotrice thermique engendrée dans lapone de coupe, entre la pièce et l'élément de coupe; 13 - force électromotrice thermique entre l'élément de coupe et l'électrode; 14 - force électromotrice thermique entre l'électrode et le support; 15 - force électromotrice thermique entre le support et -la machine. les valeurs des forces électromotrices thermiques engendrées dépéndent des propriétés des matériaux en contactât des températures aux contacts. L'électrode thermique 3 (figure 1) se trouve dans un champ thermique décroissant d'une façon irrégulière, c'est pourquoi la force électromotrice thermique à la frontière de séparation entre l'électrode thermique 3 et le support 1 est notablement inférieure à celle existant à la frontière de séparation entre l'électrode 3 et l'élément de coupe 2. De cette façon, parmi toutes les forces électromotrices thermiques représentées sur la figure 4, les valeurs déterminantes sont celle de la force -électromotrice thermique 12 créée dans la zone de coupe, et celle de la force électrique électromotrice 13 créée à la frontière de séparation entre l'électrode thermique et l'élément de coupe. La somme de toutes les autres forces électromotrices thermiques est insignifiante et peut être ignorée. Il est donc possible de- déterminer avec un degré de précision suffisan le courant parcourant le circuit, suivant la formule ou I est le courant du or cuit; 212 la force électromotrice thermique entre la pièce et l'élé ment de coupe. E13, la force électromotrice thermique entre l'élément de coupe et ltélectrode thermique; R, la résistance totale du circuit électrique. Afin de compenser l'action de la force électromotrice thermique E12 engendrée dans la zone de coupe, il est indispensable que B13 soit de signe opposé àE12, ce qui est obtenu en choisissant un matériau approprié pour l'électrode thermique. Donc le matériau usiné et le-matériau de l'électrode thermique doivent-avoir une force électromotrice thermique de même signe par rapport à l'élément de coupe. La valeurde la force électromotrice thermique de compensation E13 dépend de la différence des températures aux joints entre, d'une part l'électrode thermique et l'élément de coupe 2 et, d'autre part, l'électrode thermique et le support 1; c'est pourquoi les dimensions géométriques de l'électrode thermique sont choisies en fonction des conditions de répartition des champs de température de l'outil, les conditions de refroidissement dé l'outil et les valeurs de la force électromotrice thermique engendrée dans la zone de coupe. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté qui nta été donné qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous 1 es moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisosns, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. R E V E N D I C A T I O N S =~=~=~=~=~ =~=~=~=~=~=~=~=~= 1.- Outil de coupe du type comportant un élément de coupe monté sur un support, et une source de courant électrique pour la compensation de l'action de la force électromotrice thermique engendrée dans la zone de coupe, caractérisé en ce que la source de courant électrique est obtenue à l'aide d'un élément intercalaire formant électrode thermique qui, étant disposé entre l'élément de coupe et le support se trouve encontact électrique avec ces derniers, et en ce que le matériau, la forme et les dimensions géométriques de l'électrode thermique sont choisis de façon que la force électromotrice thermique totale engendrée entre- l'électrode thermique, l'élément de coupe et le support compense la force électromotrice thermique engendrée dans la zone de coupe. 2.- Outil de coupe suivant la revendication 1 caractérisé en ce que la partie de l'élément de coupe adjacente au support est électriquement isolé de ce dernier, la connexion électrique entre ledit élément de coupe et ledit support se faisant par l'intermédiaire dudit élément intercalaire formant électrode thermique. 3.- Outil de coupe suivant l'une des revendications I et 2, caractérisé en ce que l'isolement électrique entre l'élément de coupe et le support est assuré par un entrefer ménagé entre la partie de l'élément de coupe adjacente au support et le support-luimême. 4u- Outil de coupe suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'entrefer entre l'élément de coupe et le support est garni d'un isolant électrique. 5.- Outil de coupe suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément intercalaire précité est en alliage nickel-chrome connu sous le nom commercial "chromel". 6.- Outil de-coupe suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en calque l'élément intercalaire précité est en alliage nickel-cuivre connu sous le nom commercial "copel". 7.- Outil de coupe suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément intercalaire précité est en nickel.