Brevet FR2239313A1 — publié le 19750228

La présente invention concerne les constructions mécaniques, et a notamment pour objet un porte-outil pour l'usinage d'alésages dans les métaux et autres matériaux. L'invention peut être utilisée avec un maximum d'efficacité pour accroître la rigidité dynamique et la stabilité aux vibrations des porte-outil -longs et de faible rigidité, du type en porte à faux. On sait que l'usinage des alésages longs, surtout ceux dont le rapport longueur/diamétre est élevé, est rendu difficile par suite des vibrations dues au manque de rigidité dynamique et à la stabilité insuffisante de l'outil aux vibrations. Les vibrations apparaissant lors de la coupe entraînent une diminution du rendement de l'usinage, une augmentation de l'usure de l'outil de coupe, une altération de la précision dimensionnelle et de l'état de surface de la pièce usinée. On sait qu'un accroissement de la stabilité de l'outil aux vibrations peut être obtenu en augmentant l'amortissement dans le système. A cet effet, on incorpore dans l'outil des amortisseurs et des dispositifs d'étouffement des vibrations. Quoiqu'ils augmentent notablement la stabilité de l'outil aux vibrations, ces dispositifs compliquent sa conception. En outre, la masse d'inertie du dispositif d'étouffement des vibrations doit constituer une partie importante de la masse de l'outil lui-même, et plus cette partie est importante, plus l'efficacité du dispositif d'étouffement-est élevée. Ceci n'est réalisable que si les dimensions de l'outil sont suffisamment grandes, ou s'il y a un rapport approprié entre les densités des matériaux de l'outil et de la masselotte du dispositif d'étouffement.Ces conditions restreignent évidemment le champ d'application des amortisseurs et des dispositifs d'étouffement des vibrations. On sait en outre que pour accrotre la rigidité, on fabrique quelquefois l'outil en porte-à-faux en un alliage dur pour outils, ayant, comparativement à l'acier, un module d'élasticité élevé (5,6.106 kg/cm ). L'inconvénient de cette méthode réside dans la difficulté d'usiner l'alliage dur par enlèvement de matière, ainsi que dans le coût élevé de l'outil, surtout quand ses dimensions sont grandes. De plus, on sait que si l'on considère deux porteoutil en porte-à-faux de mêmes dimensions, c'est celui qui a une fréquence propre de vibration plus élevée qui est le plus stable vis-à-vis des vibrations (voir, par exemple, l'article de Robert S. Hann "Vibration Research : The Production Payoff Is Here", "Machinery" U..Â., ils67, V. 73, n0 5).C'est pour cette raison que, bien souvent, les porte-outil en porte-à-faùx sont fabriqués en molybdène (module d'élasticité E=3,51.106 kg/cm2, densité t =10,2 g/cm3), la fréquence propre de vibration du porte-outil étant de 1,t4 fois plus élevée que celle d'un porte-outil en acier de mêmes dimensions (module d'élasticité E=2,I.106 kg/cm2, densité t r7,8 g/cm3 > . Toutefois, la densité du molybdène, qui est plus élevée que celle de l'acier, augmente la masse de l'outil.Dans le cas d'un outil tournant, travaillant avec un décalage prédéterminé par rapport à l'axe de rotation (par exemple un porte-outil d'aléseuse monté excentriquement dans un mandrin d'alésage), cela entrasse une augmentation .indésirable des forces centrifuges et oblige à abaisser la vitesse de rotation de l'outil.En cas d'emploi d'un dispositif d'étouffement des vibrations incorporé dans un porte-outil en molybdène ou un porte-outil en carbure métallique (densité 17 g/cm3), comme c'est le cas, par exemple, de celui décrit dans le brevet des Etats-Unis n0 3164041, le rapport entre la masse de la masselotte d'inertie du dispositif d'étouffement et celle du porte-outil et entre leurs densités est affecté, ce qui se traduit par une diminution de l'efficacité du dispositif d'étouffement.Cela est vrai, en particulier, pour les outils à grande portée, car, comme on le sait, le rapport des densités doit être lié à la portée relative du porte-outil par la relation densité du matériau de la masselotte porte-à-faux du densité du matériau porte-outil / porte-outil/diamètre 5 c'est-à-dire que, pour une portée relative du porte-outil égale par exemple à 10, le matériau de la masselotte doit etre au moins 2 fois plus lourd que le matériau du porte-outil,ce qui, dans le cas d'un porte-outil en carbure métallique, est pratiquement impossible. le but de l'invention est de supprimer les inconvénients indiqués Il s'agissait donc de créer un porte-outil en porte-àfaux qui aurait une plus grande stabilité aux vibrations que les porte-outils existants, grâce à une répartition plus rationnelle de sa masse et de sa rigidité suivant sa longueur. La solution consiste en un porte-outil en porte-à-faux comportant à son extrémité libre une tête dans laquelle se fixe un outil de coupe, ledit porte-outil étant caractérisé, d'après l'invention, en ce qu'il est constitué par au moins deux parties en matériaux différents, dont l'une,contiguë à l'endroit de fixation du porte-outil, est en un matériau à module d'élasticité supérieur d'au moins 1,5 fois à celui du matériau dont est constituée la seconde partie, contigus à ladite tête, et en ce que le matériau dont est constituée ladite seconde partie a une densité inférieure d'au moins 1,5 fois à celle du maté raude la partie du porte-outil contiguë. à ltendroit de fixation du porte-outil, la longueur de chacune desdites parties du porte-outil étant de 40 à 60 ffi de la longueur totale du porteoutil. Comparativement aux porte-outilsconnus,le porte-outil composite proposé présente--les avantages suivants fréquence propre de vibration plus élevée, grâce à une distribution plus rationnelle de la masse et de la rigidité suivant la longueur du porte-outil ; toutes les autres conditions étant égales, la fréquence propre de vibration plus élevée assure au porte-outil proposé une stabilité plus élevée aux vibrations possibilité d'utiliser plus efficacement les dispositifs d'étouffement des vibrations, grâce à un meilleur rapport des masses de la masselotte d'inertie et du porte-outil ce qui est obtenu en diminuant la masse effective du porte-outil possibilité d'employer des dispositifs d'étouffement des vibrations à masselottes d'inertie plus légères, grâce au rapport amélioré des masses, ce qui se traduit par un abaissement des forces centrifuges et permet d'accroître la vitesse de rotation de lto1ltil pendant l'usinage, et par conséquent, le rendement. Le porte-outil composite proposé est très avantageux au point de vue économique. Il permet - d'accroltre la précision d'usinage et d'améliorer l'état de surface obtenu grâce à l'augmentation de la stabilité aux vibrations - d'augmenter le rendement grâce à la réduction du temps d'usinage (possibilité de travailler en régîmes de coupe plus sévères et des temps morts (possibilité d'usiner des alésages longs en un seul montage). D'autres objectifs et avantages de l'invention apparaitront à la lecture de ladescription détaillée suivante de plusieurs exemples de réalisation, illustrés par le dessin unique annexé, dans lequel - la figure 1 représente un porte-outil d'alésage conforme à l'invention, se fixant dans la broche d'une aléseuse et tournant autour de l'axe de cette broche, - la figure 2 représente un porte-outil d'aléseuse conforme à l'invention, se montant avec excentration dans le mandrin d'alésage et tournant avec un décalage déterminé par rapport à l'axe de la broche - la figure 3 représente un porte-outil d'alésage conforme à l'invention, pourvu d'un dispositif d'étouffement des vibrations incorporé, et destiné à être utilisé sur un tour Comme on le sait, pendant l'usinage le porte-outil est sollicité par une force transversale appliquée à l'outil, lequel est fixé dans le bout libre du porte-outil. Le moment fléchissant agissant sur le porte-outil est égal au produit de cette force transversale par la distance entre une section donnée du porte-outil et l'endroit où est appliquée la force Ce moment a une valeur maximale au point d'encastrement du porte-outil, ctest-à-dire au point où cette distance est maximale. A l'endroit où est appliquée la force transversale, le moment est nul. Compte tenu de ce qui vient d'être dit, la partie du porte-outil subissant les plus fortes charges, celle contiguë audit point d'encastrement, est constituée, suivant l'invention, par un matériau à haut module d'élasticité.La partie du porte-outil située à une distance importante du point d'encastrement du porte-outil et subissant l'action d'un moment fléchissant bien plus faible, peut être réalisée en un matériau à module d'élasticité moins élevé, sans que celà entraine une réduction notable de la rigidité de l'ensemble du porte-outil. La fréquence propre de vibration du porte-outil en porte-à-faux est : k étant la rigidité du porte-outil, et M, sa masse effective, c'est-à-dire sa masse rapportée à son extrémité libre et égale à 0,23 fois la masse de tout le porte-outil. La masse effective est déterminée, principalement, par la partie du porte-outil contiguë à son extrémité libre, où l'amplitude des vibrations est maximale. C'est pourquoi, afin de diminuer cette masse et d'accroître la fréquence propre du porte-outil, cette partie est, suivant l'invention, constituée par un matériau de faible densité. La partie du porte-outil contiguë à son point d'encastrement, où l'amplitude des vibrations est bien plus faible, a peu d'influence sur la valeur de la masse effective. C'est pourquoi, même si cette partie est réalisée en un matériau de forte densité, cela n'entraine pas une baisse notable de la fréquence propre de vibration. Les combinaisons de matériaux pouvant entre utilisées pour les parties précitées peuvent être très variées, par exemple : acier et alliage d'aluminium ou de titane ; carbure métallique et acier ; molybdène et aluminium ; etc. (le premier matériau indiqué est chaque fois celui de la partie du porte-outil contiguë à son point d'encastrement). Il a été établi que les modules d'élasticité, de môme que les densités, des deux matériaux-doivent différer l'un de l'autre d'au moins 1,5 fois. l'efficacité de la solution proposée est tributaire du choix des longueurs des parties assemblées. Il a été établi que le rapport optimal desdites longueura dépend de la combinaison des matériaux utilisés et est assuré quand la longueur de chacune dBor.e parres ai porte - outil est de 40 à 60% de la longueur totale du porte-outil. le porte-outil d'alésage de la figure 1 se compose d'une queue conique normalisée I et d'un corps dont l'extrémité libre porte un outil de coupe 2 fixé par des vis 3. La queue 1 et le corps de porte-outil représentés concernant le cas où ils sont fabriqués d'une seale pièce, quoique, bien str, ils puissent être fabriqués séparément puis assemblés d'une manière suffisamment fiable. D'après l'invention, le porte-outil est composite : la partie 4 du corps contiguë à la queue 1 est réalisée en un matériau à module d'élasticité plus élevé (d'au moins 1,5 fois) ; la partie 5 du corps munie de l'outil de coupe (grain) est réalisée en un matériau de densité plus faible (d'au moins 1,5 fois).La longueur de chacune des parties 4 et 5 est, suivant l'invention, de 40 à 60% de la longueur totale du porte-outil. les deux partiés sont assemblées par un filetage 6, bien que l'on puisse évidemment recouvrir à n'importe quel autre- mode d'assemblage suffisamment fiable. le porte-outil représenté sur la figure 2 se compose d'une partie 7 du corps de porte-outil, contiguë à la queue 8 d'un mandrin (non représenté), d'une partie 9 du même corps, contiguë à une tête porte-outil 10 dans laquelle est brasé un outil de coupe il. La partie 7 du corps est réalisée en un matériau à module d'élasticité plus élevé (d'au moins 1,5 fois) la partie 9 est en un matériau de densité plus faible (d'au moins 1,5 fois). L'assemblage 12 des deux parties est à ajustement serré (on peut utiliser tout autre mode d'assemblage fiable). La longueur de chacune des parties 7 et 9 est de 40 à 60% de la longueur totale du porte-outil. le porte-outil représenté sur la figure 3 se compose d'une tete porte-outil 13, d'une partie 14 du corps, contigus à ladite tête, et d'une partie 15 du même corps, s'emboitant dans un bloc de fixation 16. le bloc de fixation 16 a une section rectangulaire et est serré par des vis 17 dans la tourelle 18 d'une tour. Dans la tete porte-outil 13, une vis 19 fixe le grain 20. Un filetage 21 assemble la tête 13 à la partie 14 du corps, fabriquée avec un matériau dont la densité est d'au moins 1,5 fois plus faible que celle du matériau constituant la partie 15. Dans la partie 14 il y a un chambrage 22 dans lequel est placée avec un jeu II, la masselotte d'inertie 23 du dispositif d'étouffement des vibrations. La partie 15 du corps est en un matériau dont lé module d'élasticité est d'au moins 1,5 fois plus élevé que celui du matériau constituant la partie 14. Dans la partie 15 est usiné un alésage traversant.La longueur de chacune des parties 14 et 15, quand le porte-outil est dégagé au maximum du bloc de fixation, est de 40 à 60% de la longueur totale du porte-outil. les parties 14 et 15 sont assemblées par une tige 24 ayant une tête 25 et passant à travers des rondelles 26 , 27 et l'alésage de la partie 15 pour se visser dans la partie 14. la partie 15 est extremement simple et n'exige aucun usinage compliqué, ce qui est important lorsqu'elle est fabriquée à partir de matériaux difficiles à usiner, tels que les carbures métalliques. Pour l'usinage, on emmanche la queue 1 du porte-outil de la figure I dans l'alésage conique normalisé de la broche de la machine-outil (représenté conventionnellement surle dessin par le point d'encastrement 28). Pendant l'alésage, le porte-outil tourne autour de l'axe de la broche, coïncidant avec son propre axe 29. La profondeur de coupe se règle par déplacement de l'outil de coupe 2. le porte-outil de la figure 2 se fixe dans un mandrin d'alésage (non représenté), dont la queue 8-stemmanche dans l'alésage normalisé de la broche de la machine-outil (représenté conventionnellement sur le dessin par la zone d'encastrement 30). L'axe-31 du porte-outil est décalé-de la valeur e requise par rapport à l'axe 32 de rotation de la broche et du mandrin.Le porte-outil de la figure 3 est immobile pendant la coupe, tandis que la pièce à aléser tourne, étant montée sur la broche de la machineoutil qui, dans le cas considéré, est un tour (non représenté). Le porte-outil a une portée variable : au repos on peut le déplacer de la valeur voulue le long de l'axe du bloc de fixation 16, puis on le bloque dans la position choisie au moyen des vis 17. il est à noter que les porte-outil des figures 1 à 3 ne sont représentés qu'à titre d'exemple pour illustrer l'invention. Il est évident que, dans le cadre de l'invention, d'autres conceptions du porte-outil composite et de ses éléments constitutifs, d'autres modes d'assemblage des parties constitutives, etc., sont possibles. Par conséquent, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre de la revendication qui suit RVENDI CTI0N 1. Porte-outil en porte-à-faux, du type dont l'extrémité libre porte une tete dans laquelle se fixe un outil de coupe, caractérisé en ce qu'il est constitué par au moins deux parties constituées chacune par un matériau différent, dont l'une, contiguë à l'endroit de fixation du porte-outil, est constituée par un matériau à module d'élasticité supérieur d'au moins 1,5 fois à celui du matériau dont est constituée la seconde partie, contiguë à ladite tete, et en ce que le matériau employé pour fabriquer cette seconde partie a une densité inférieure d'au moins 1,5 fois à celle du matériau dont est constituée la partie du porteoutil contiguë à l'endroit de fixation du porte-outil, la longueur de chacune desdites parties du porte-outil étant de 40 à 60% de la longueur totale du porte-outil.