Brevet FR2235751A1 — publié le 19750131

La présente invention concerne les outils de coupe par friction et plus spécialement, mais non exclusivement, les procédés d'application de ceux du type des dispositifs à friction ou des scies à ruban non dentées. On connait l'usage de ces outils peur découper de nombreux matériaux, y compris la plupart des métaux connus et leurs alliages. Le procédé de découpe au moyen d'outils agissant par friction est relativement simple du fait que, pendant le contact de l'outil avec la pièce, le mouvement relatif de ces deux éléments augmente la température de la pièce et y produit un échauffement local. fl y a deux explications possibles de la cause réelle de la coupe, la plus répandue étant que l'échauffement localisé de la pièce produit une oxy- dation locale facilitant la pénétration de l'outil de friction. Mazais il est possible que la coupe se produise du fait que, lorsque la matière s'échauffe localement, elle s'amollit et est chassée par le mouvement de l'outil de friction selon une action continue et progressive. Du fait qu'une partie relativement réduite ou de faible longueur seulement du disque ou de l'outil de coupe est en contact avec la pièce à un moment donné, la température atteinte par le disque ou de 11 outil est moindre que celle engendrée localement dans la pièce et par conséquent le disque ou l'outil de coupe s'use moins vite que la pièce. Certains types connus de disques à friction comportent généralement des dents aidant au refroidissement de 1' outil et facilitant 1' évacuation du métal. Ces dents ne jouent aucun rôle dans la coupe mais sont généralement considérées comme indispensables pour aider au refroidissement de l'outil. Les outils de coupe connus ont en général un diamètre compris entre 60 et 75 cm et n'ont pas moins de 1,5 mm d'épaisseur environ. Ces outils de coupe ne conviennent pas à la découpe de rainures étroites telles que les fentes d'air de réfrigération sur les bords de fuite des aubes de moteurs à turbine à gaz. La tentative de réduire la largeur de l'outil de coupe s'est révélée inapplicable du fait que l'outil était soumis à un échauffement exagéré ou se brisait. La présente invention vise à réaliser un appareil de découpe par friction produisant des fentes de très faible largeur telles que de l'ordre de 0,15 mm. L'appareil selon l'invention comporte un outil de coupe par friction approprié à la découpe d'une pièce et des rainures d'amenée d'un courant de fluide è l'outil de coupe. De préférence, le courant de fluide sera amené à l'outil de coupe par friction dans le sens de déplacement dudit outil. De préférence, l'outil de coupe par friction comporte un disque métallique tournant ou un ruban métallique continu. Selon un aspect de l'invention, le courant de fluide comporte un courant d'eau. Par contre, selon un autre aspect de l'invention, le fluide pourra appartenir à un des groupes de fluides comportant une des solutions suivantes : 5 % de carbonate de sodium t 5 % de sulfate de sodium ; 1 v % de phosphate trisodique ; 5 % de chlorure de sodium ; 5 ffi de chlorure de sodium et 1 ffi de phosphate de sodium. L'invention concerne également un procédé d'amélioration du rendement de coupe d'un outil de coupe par friction en amenant un courant de fluide à l'outil et à la pièce. L'invention est décrite ci-après en détail au moyen de divers exemples, non limitatifs, de réalisation à l'aide d'outils de coupe par friction de diverses compositions travaillant sur des pièces également différentes, tels qu'exposés dans les cinq tableaux annexés dont les quatre premiers représentent le coeportement de quatre pièces de compositions différentes usinées successivement au moyen de disques à friction en Nimonic 80, en acier inoxydable 18-8, ou en acier doux, et en utilisant différents fluides réfrigérants, les rendements étant donnés par les vitesses d'avance et l'usure diamétrale des disques. Le cinquième tableau représente les caractéristiques des fluides réfrigérants. On donnera tout d'abord une définition des divers matériaux cités, dans la présente description et dans les tableaux annexés, sous leur appellation commerciale: NINONIC 108 : marque déposée de la Société dite Henry Wiggins and Co. Ltd. alliage à haute température de composition approximative C 0,12 à 0,17 % Co 18 à 22 ffi Si O à 1 % Cr 14 à 15,7 % Nn O à 1 % Ou O à 0,2 % S O à 0,015 % Fe O à 1 % Ag O à 0,0010 % Mo 4,5 à 5,5 % AI 4,5 à 4,9 % Pb O à 0,0025 % B 0,004 à 0,012 ffi Ti 0,90 à 1,5 % Bi O à 0,0001 % Zr 0,08 à 0,12 % Ni pour complément. NIMONIC 80 : marque déposée de la Société dite Henry Wiggins and Co. Ltd. composition approximative C 0,04 à 0,10 % Fe 0 à 1,5 % Si 0 à 1 % Pb 0 à 0,002 % MG 0 à 1 % Ti 1,8 à 2,7 % S O à 0,015 % Ni pour complément Al 1 à 1,8 % Ag O à 0,0005 % B O à 0,008 % Bi O à 0,0001 % Co 0 à 2 % Cr 18 à 21 % Ou O à 0,2 % marque déposée de la Société dite British Steel Corporation ; composition approximative : C 0,08 à 0,13 % Mo 1,5 à 2 % Si O à 0,35 % N 0,02 à 0,04 % Mg 0,5 à 0,9 % Ni 2 à 3 % P O à 0,03 % V 0,25 à 0,4 % S O à 0,025 % Fe pour complément Cr 11 à 12,5 % TITANIUM 318A : nom donné au produit par la Société dite Imperial Mental Industries Ltd. ; composition approximative : C O à 0,1 % O O à 0,2 % Fe O à 0,3 % N O à 0,05 % Al 5,5 à 6,75 % autres éléments O à 0,4 % V 3,5 à 4,5 % Ti pour complément HINDUMINIUM : nom donné par la Société High Duty Blloys Ltd. à un produit de composition Cu 5,7 à 6,5 % Ni 0 à 0,1 % Mg 0,15 à 0,28 % Zn 0 à 0,1 % Si 0,08 à 0,25 % Ti 0,1 à 0,15 % Fe 0 à 0,3 % Zr 0,11 à 0,16 % Mn 0,2 à 0,3 % Al pour complément ACIER INOXYDABLE t8-8: désignation connue dans l'industrie d'un acier inoxydable contenant 18 % de nikel et 8 % de chrome. Au cours des essais on a utilisé quatre matériaux constitutifs différents -pour les pièces à usiner de façon à faire ressortir les tendances de l'action des fluides réfrigérants de coupe. En outre, pour chacun de ces matériaux, on a essayé quatre matériaux constitutifs de disques de coupe. Onze compositions de fluides réfrigérants de coupe ont été essayées en presque toutes les combinaisons possibles de réfrigérant, de pièce et de disque. Aucun fluide réfrigérant ne s'est révélé optimal pour toutes les pièces usinées et aucune règle fondamentale n'a été dégagée indiquant la solution à appliquer. Les Tableaux 1 à 5 montrent les résultats des essais, tous les chiffres représentant la moyenne de plusieurs essais de coupe et, bien que ne faisant ressortir aucune tendance définie utilisable à titre indicatif pour le choix du fluide réfrigérant pour une application particulière, les résultats sont utiles bien que révélant certaines lacunes. C'est ainsi qu'il serait nécessaire d'avoir un fluide de coupe pour la titane équivalant au bromure de sodium en ce qui concerne le rendement de coupe mais sans effet accessoire indésirable. Des essais ont été effectués sur un alliage d'aluminium-hinduminium mais d'une façon générale ce matériau est celui qui a donné les résultats les moins satisfaisants, bien que l'opération de coupe ait révélé une amélioration par rapport à la coupe classique par friction. Tous les essais ont été effectués sur la même machine, en fait une machine à rectifier les surfaces, spécialement adaptée à la rectification électrolytique. La machine a été modifiée de façon à donner une avance lente de la table ce qui est la seule modification nécessaire pour un travail de découpe par friction. Un ampèremètre avait été connectéà la broche du moteur pour indiquer la consommation d'énergie et pour signaler l'approche du moment où la machine calerait. Tous les essais ont été effectués en utilisant un disque 22 SWG- de 25 cm de diamètre et de 0,7 mm d'épaisseur tournant à 3.250 tours/minute. La pièce à usiner (ou éprouvette) était faite de blocs plats et les comparaisons ont été faites en découpant des fentes sur leurs faces supérieures. On a pensé que ce procédé donnerait le contact maximum entre le disque et ltéprouvette, donc les plus mauvaises conditions de réfrigération et serait le plus propre à révéler les différences entre les divers fluides réfrigérants essayés. Pour ltéprouvette, on a choisi quatre matériaux typiques utilisés dans la fabrication des moteurs à turbine à gaz, à savoir 1. Wimonic 108 2, Acier inoxydable Jethete 3. Titane 218A 4. Alliage alumini i hinduminium Sur chacun de ces alliages, on a essayé quatre matériaux constitutifs de disques de friction, à savoir 1. Acier doux 2. Acier inoxydable 18-8 3. Acier inoxydable Jethete 4. Simonie 80 L'acier inoxydable utilisé dans la plupart des essais était le type austénitique 18-8 et, bien que ce matériau se soit comporté de façon satisfaisante dans les conditions des essais, on ignore s'il existe d'autres circonstances dans lesquelles il ne conviendrait pas.Par exemple, lorsque les rondelles de serrage du disque sont petites par rapport à son diamètre, le disque a fortement tendance à se bomber, probablement par écrouissage du bord, ce qui peut entraSner une coupe non rectiligne. Cet inconvénient a eu peu d'importance au cours des essais effectués car les disques étaient serrés entre des rondelles de grand diamètre et la partie en porte à faux du disque était d'environ 25 mm. Pour les cas où l'on devrait utiliser un disque plus mince ou des rondelles plus petites on a essayé, à titre de comparaison, un acier inoxydable martensitique (Jethete). Les essais ont été effectués en utilisant une solution de fluide réfrigérant à 5 ffi de carbonate de sodium sur les deux types d'acier inoxydable mais les différences de rendement de coupe et d'usure étaient très -faibles. Pour les cas où lton jugerait préférable d'utiliser un disque en acier austenitique, une autre solution - consisterait - à le guider entre des coussinets de carbure incorporés au porte-pièce. Les essais préliminaires ont été effectués en utilisant un disque en acier doux et de l'eau comme fluide réfrigérant afin d'établir des données de base. Plusieurs découpes ont été effectuées à des vitesses et avec des profondeurs de coupe croissantes, la consommation d'énergie étant contrôlée par l'aspèremètre. On a ainsi établi la vitesse maximale d'avance pour chaque combinaison d'éprouvette et de disque pour chaque réfrigérant. Après chaque coupe, le diamètre du disque a été mesuré en trois points pour dégager la valeur moyenne de l'usure. Le fluide réfrigérant a été amené sur le disque de friction au moyen d'un système de buses à trois jets, dans le sens de rotation du disque. De cette façon le fluide acquiert presque la vitesse de l'outil de coupe du fait du frottement su- perficiel sur l'outil. Comme la couche de fluide sur l'outil de coupe a la mAme vi tesse que l'outil lui-meme, et comme le fluide augmente le coefficient de frottement entre l'outil et la pièce, le résultat du frottement doit être plus grand sur la pièce que sur l'outil du fait de la vitesse du fluide. la pièce peut également recevoir un courant de fluide pour la réfrigérer. La quantité de fluide de coupe amenée au disque était d'environ 4,5 litres par minute, cette quantité semblant donner les meilleurs résultats et la plus faible quantité de barbes sur les bords de la fentes Des essais ont été effectués en utilisant onze fluides de coupe réfrigérants différents pour chaque combinaison de matériaux ; les résultats en sont indiqués dans les tableaux annexés. Sauf le bromure de sodium qui peut présenter certains dangers pour l'opérateur, il n'a été utilisé aucune solution connue comme nocive. Mais le choix des fluides de coupe pourrait être considérablement étendu en prenant les précautions appropriées. il est possible que beaucoup de solutions pourraient donner une découpe plus efficace que celles choisies pour les essais mais elles pourraient avoir des effets corrosifs pour la machine ou présenter d'autres effets secondaires indésirables. Un des tableaux annexés donne des indications sur l'action des solutions de fluides de coupes essayés. Les résultats sont présentés sous forme d'un tableau pour chaque matériau constitutif d'éprouvette, les solutions de fluides de coupe les plus efficaces en ce qui concerne le rendement de coupe étant placées en tête, suivies des autres solutions selon 11 ordre de qualité décroissant. On notera que le meilleur rendement de coupe ne coincide pas nécessairement avec la moindre usure du disque de coupe. Chaque tableau ne débute pas par la même solution de fluide de coupe et les fluides ne figurent pas dans le même ordre d'efficacité dans chaque tableau. En d'autres termes, il n'y a pas de fluide universel donnant-des résultats optimaux pour tous les matériaux constitutifs de pièces à usiner et de disques de coupe. Pour les éprouvettes en åethete et en niobium 108, l'eau, servant de fluide de coupe, apparat presque au bas des tableaux, ce qui montre que l'addition de presque n'importe lequel des sels choisis pour ces essais a augmenté l'efficacité de coupe par rapport à liteau pure. Dans le cas du titane et de ses alliages, les résultats obtenus avec 1 'veau sont placés plus près de la partie supérieure des tableaux, ce qui indique que l'addition de sels a eu- moins d'effet. Le tableau concernant le jethete montre deux cas où une faible augmentation du diamètre du disque a été observée, mais ceci est attribué à une accumulation de matière constitutive de l'éprouvette sur le bord du disque de coupe. Bien que la vitesse d'usure d'un disque en nimonic 80 soit fréquemment inférieure à celle des autres matériaux essayés, ceci peut ne pas être suffisant pour contrebalancer le coût élevé d'une feuille de nimonic 80. Tous les facteurs doivent donc être pris en considération dans le choix des conditions en vue d'une application particulière et il est possible qu'un disque en nimonic soit justifié dans le cas où seule la vitesse d'usure la plus petite possible rendrait le travail exécutable, par exemple la réalisation d'une gorge étroite exi- geant une tolérance très faible en profondeur. Il est intéressant de noter qu'un disque en acier doux a considérablement surpassé les autres matériaux pour travailler l'aluminium. On remarquera que, bien qu'on ait décrit plus en détail ce procédé d'utilisation d'un appareil de découpe par friction en se référant aux quatre types d'éprouvettes précités, l'expérience a également révélé que l'application de la présente invention améliorait considérablement l'efficacité de coupe de beaucoup dtautres types de matériaux, mais les essais particuliers sur ceux-ci n'ont pas été aussi poussés que les essais décrits ci-dessus. On a constaté cependant qu'on obtenait une amélioration significative de la coupe en appliquant les divers modes de réalisation de l'invention aux matériaux suivants : fonte, acier doux, acier à forte teneur en carbone, acier pour outils à coupe rapide, laiton, cuivre, alliages de zinc, - alliages de magnésium, alliages de vanadium, tungstène. On a également constaté la possibilité de couper des céruniques très réfractaires et certains types de verres en utilisant un mode réalisation de la présente invention et l'on envisage qu'un de ces modes de mise en pratique de l'invention pourrait être appliqué à beaucoup d'autres types de matériaux que ceux mentionnés dans la présente description. TABLEAU 1 Eprouvette en NIMONIC 108 Longueur de coupe 41 mm Profondeur de coupe 2,54 mm fluide de Matériau Vitesse usure dia- observations coupe constit. max. avance métrale par disque en nm/min. coupe en mm 5 % carbonate N80 95 0,020 de sodium 18-8 83 0,030 copeaux soudés au disque Ac.doux 54 0,100 -d - 18.8 67 0,013 5 %É acétate A.D. 67 0,050 de sodium N80 41 0,005 copeau soudés au disque N80 67 0,025 5 % sulfate 18-8 67 0,025 de sodium A.D. 54 0,063 copeaux soudés au disque 5 % chlorure @ 18-8 67 0,050 de sodium + N80 54 0,025 copeaux soudés au 1 % phosphate disque de sodium A.D. 54 0,125 -d 5 % nitrate A.D. 67 0,075 de sodium + 18-8 54 0,020 2 % nitrite. N80 41 0,013 de sodium 3 % nitrite N80 57 0,008 de sodium Jethete 48 0,025 A.D. 48 0,075 copeaux sou dés au disque 5 % tétra- N80 41 0,020 borate de t8-8 41 0,020 sodium A.D. 41 0,038 N80 50 0,025 1 1/2 % phos- 18-8 32 ~ machine cale phate tri- - A.D. 32 ~ -d - sodique 5 % silicate 18-8 32 0,003 copeaux soudés au de sodium disque N80 32 -d - - machine cale A.D, 32 - -d eau courante AD. 32 0,225 N80 32 - machine cale 5 % bromure 18-8 32 - -d de sodium A.D. 32 -d - TABLEAU 2 Eprouvette en JETHETE Longueur de coupe 48 mm Profondeur de coupe 2,54 mm Fluide de Matériau vitesse usure dia- observations coupe e constit. max. d'avance métrale par disque en mm/min. coupe en mm 5 % sulfate Ac.Doux 111 0,020 de sodium 18-8 83 0,013 N80 41 0,016 5 % chlorure A.D. 95 0,030 de sodium N80 54 0,013 t8-8 54 0,025 1 + % phos- A.D. 95 0,050 phate tri- NBO 67 0,013 sodique 18-8 32 machine cale 5 % Nitrate A.D. 83 0,025 de sodium + N80 32 - machine cale 2 % nitrite 18-8 32 - -d de sodium 5 % acétate A.D. 83 0,025 de sodium N80 67 0,025 18-8 41 ~ essai Inachevé 5 % carbonate A.D. 67 0,040 de sodium 18-8 67 0,013 N80 54 0,013 5 % bromure A.D. 67 0,050 de sodium 18-8 41 0,020 N80 41 O,020 5 ffi chlorure A.D. 67 0,090 de sodium + N80 54 0,013 1 % phosphate 18-8 54 0,063 de sodium 3 % nitrite N80 57 0,013 de sodium Jethete 57 +0,013 augmentation diamètre A.D 57 +0,045 -d - eau courante A.D. 41 néant 5 % tetra- N80 41 borate de A.D. 32 0,025 sodium 18-8 41 0,058 copeuaux soudés au disque 5 % silicate N80 32 - machine cale de sodium 18-8 32 - -d A.D. 32 - -d TABLEAU 3 Eprouvette en TITANE Longueur de coupe 41 mm Profondeur de coupe 5,08 mm Fluide de matériau Vitesse maux. Usure dia- observations coupe constit. d'avance métrale par disque en mm coupe en mm 5% bromure N80 127 0,025 de sodium 18-8 95 0,013 Ac.Doux 95 néant 1 1/2 % phos- N80 114 0,025 phate tri- 18-8 32 néant copeaux soudés au sodique disque A.D. 32 - machine cale 5% chlorure N80 95 0,020 de sodium 18-8 95 0,025 A.D. 83 0,025 Eau courante A.D. 67 néant 5% carbonate N80 67 0,025 de sodium 18-8 41 néant 32 0,016 5% chlorure A.D. 67 0,013 copeaux soudés au de sodium + disque 1% phosphate 18-8 54 0,013 de sodium N80 41 0,050 3% nitrite N80 57 0,020 de sodium Jethete 32 0,020 A.D. 32 0,280 5% nitrate N80 54 0,038 de sodium + A.D. 41 0,025 2% nitrite 18-8 32 - machine cale de sodium 5% acétate 18-8 54 0,018 de sodium N80 54 0,045 A.D. 54 0,045 5% sulfate N80 54 0,063 de sodium A.D. 32 0,280 18-8 32 - machine cale 5 tétra- A.D. 41 néant borate de N80 32 - machine cale sodium 18-8 32 - machine cale 5% silicate N80 32 - machine cale de sodium 18-8 32 A.D. 32 -d TABLEAU 4 Eprouvette en ALLIAGE ALUMINIUM-HINDUMINIUM Longueur de coupe 83 mm Profondeur de coupe 5,08 mm Fluide de Matériau Vitesse max. Usure dia- observations coupe constit. d'avance métrale par disque en mm coupe en mm 5% chlorure Ac.Dour 67 0,003 de sodium + 18-8 32 - machine cale 1% phosphate N80 32 - -d de sodium 1% sulfate A.D. 67 0,020 de sodium 18-8 32 - machine cale N80 32 ~ -d Eau courante A.D. 67 0,016 5% carbonate A.D. 50 0,025 de sodium 18-8 41 0,125 N80 32 - machine cale 5% bromure A.D. 41 0,038 de sodium N80 41 0,100 18-8 41 0,100 3% nitrate A.D. 32 0,063 de sodium Jethete 32 0,075 N80 32 0,150 1 1/2 % phos- A.D. 32 - machine cale phate tri- 18-8 32 - -d sodique N80 32 ~ do 5% nitrate A.D. 32 - machine cale de sodium + 18-8 32 - -d 2% nitrite N80 32 - -d de sodium TABLEAU 5 CABACTERISTIQUES DES FLUIDES REFRIGERANTS DE COUPE Fluide de coupe Action Corrosive Autres Effets Acier doux aluminium laiton cuivre 5% carbonate néant néant néant aucun connu de sodium néant après attaque initiale 1 1/2 % phos- néant néant a- néant néant aucun connu phate tri- près at sodique taque i nitiale 5% chlorure néant néant a- néant néant aucun connu de sodium + près at 1% phosphate taque i de sodium nitiale 5% nitrate néant néant faible décolor. danger d'in de sodium + flammation ; 2% nitrite risques cuta de sodium nés 5% acétate forte néant décolor. faible aucun connu de sodium oxydation (rouille) 5% sulfate forte néant décolor. faible odeur de de sodium oxydation soufre à (rouille) la coupe 5% chlorure forte décolor. néant décolor. néant de sodium oxydation (rouille) 5% bromure forte néant décolor. faible danger pos de sodium oxydation sible pour (rouille) l'opérateur REVENDICATIONS 1. Appareil de découpe par friction caractérisé en ce qu'il comporte 10 un outil de découpe par friction approprié à découper une pièce à usiner, et 20 des organes d'amenée dtun courant de fluide à outil de coupe. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le courant de fluide est amené à 1 t outil de coupe par friction dans le sens de déplacement dudit outil. 3. Appareil selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'outil de coupe par friction comporte un disque métallique tournant. 4. Appareil selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que 1 "outil de coupe par friction comporte un ruban métallique continu. 5. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le courant de fluide comporte un courant d'eau 6. Appareil selon les revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le fluide est une des solutions contenant : 5 % de carbonate de sodium, ou 5 % de sulfate de sodium, ou 1 1/2 ffi de phosphate trisodique, ou 5 % de chlorure de sodium, ou 5 ffi de chlorure de sodium et 1 % de phosphate de sodium. 7. Procédé d'amélioration de l'efficacité de coupe d'un outil de coupe par friction, caractérisé en ce qu'il consiste à amener un courant de fluide à l'outil de coupe par friction et a-la pièce à usiner.