Brevet FR2447776A1 — publié le 19800829

La présente invention concerne des perfectionnements apportés aux machines-outils, notamment à celles prévues pour l'usinage de pièces de grandes dimensions, comportant un outil porté par l'une des extrémités (première extre- mité) d'un bras porte-outil monté dans la glissière d'un support pour pouvoir être déplacé longitudinalement. L'invention peut s'appliquer, par exemple, mais non exclusivement, aux machines-outils qui travaillent par enlèvement de copeaux ou par meulage, telles que des tours, notamment des tours verticaux ou des aléseuses. Les machines-outils du genre précité sont, dès que l'outil est éloigné de la structure massive, le siège de vibrations (broutage) qui sont, avec une intensité plus ou moins grande, retransmises à l'outil. L'étude du phénomène montre que le broutage de l'outil n'apparaît pas instantanément. Au début de l'usinage un premier train de quelques cycles est émis : il se propage dans le bras porte-outil depuis la première extrémité du cylindre et parvient à la seconde extrémité tandis qu'il s'éteint à la première extrémité ; une fois parvenu à la seconde extrémité, ce premier train est réfléchi et se propage en sens inverse dans le bras porte-outil en s'ajoutant à un nouveau train émis par l'outil , et ainsi de suite, sans que les structures de la machine puissent procurer un amortissement suffisant du phénomène. Il en résulte, à la surface des pièces à usiner, des ondulations ou des arrachements inacceptables, voire même l'impossibilité de procéder à l'usinage requis. Ces difficultés se rencontrent quelles que soient les dimensions des machines et des pièces à usiner. Elles apparaissent tout particulièrement dans les tours verticaux dès que le bras porte-outil sort de son support de plus de 3 ou 4 fois son diamètre (étant entendu que, dans le cas le plus fréquent où le coulant est de section à peu près carrée, il faut prendre en considération la longueur du côté du carré , toutefois, à titre de simplification, on parlera de diamètre dans la suite de la description, sans pour autant exclure le cas d'un coulant de section à peu près carrée. L'usinage devient pratiquement impossible lorsque le bras porteoutil est sorti de son support de plus de 5 fois son diamètre. Des défauts de même nature apparaissent dans des tours horizontaux utilisés pour la réalisation d'alésages profonds ou dans des aléseuses où l'outil est disposé avec un porteà-faux important. L'invention a essentiellement pour but de remédier aux inconvénients qui viennent d'être exposés, en supprimant dans toute la mesure du possible les vibrations et le broutage dans les machines où l'outil est disposé en porte-à-faux, afin que la machine conserve la capacité de coupe et le degré de finition qu'elle possède lorsque l'outil est situé à proximité de la structure massive, avec un faible porte-à-fau#. A ces fins, on prévoit que l'autre extrémité (seconde extrémité) du bras porte-outil est munie de moyens amortisseurs principaux à masses libres montées élastiquement sur ladite seconde extrémité. Grâce à cet agencement, lorsque le train de cycles qui se propage dans le bras porte-outil parvient à la seconde extrémité de celui-ci, l'énergie vibratoire est dissipée dans les moyens amortisseurs et ne peut pas être réfléchie en direction de la première extrémité portant l'outil. Le second train de-cycles est dissipé de la même manière et ainsi de suite. Aucun phénomène vibratoire gênant n'apparait alors au niveau de l'outil et l'usinage peut se poursuivre avec la même précision que lorsque l'outil présente un moindre porte-à-faux. Pour que l'efficacité des moyens amortisseurs principaux soit maximale, il est souhaitable que la distance encre ces moyens amortisseurs principaux et le support, lorsque l'outil se trouve dans sa position la plus éloignée dudit support, soit au moins égale à 60% de la distance entre le susdit support et ledit outil. Alors que, dans des tours de type courant, les coupes en tronçonnage sont déjà difficiles lorsque le bras porte-outil est sorti de 3 diamètres de son support et que des coupes faciles (où le copeau est libre de sortir) ne peuvent être effectuées que jusqu'à des distances de sortie du bras porte-outil de l'ordre de 4 diamètres, une machine agencée conformément à l'invention permet d'effectuer des coupes en tronçonnage avec une sortie du bras porte-outil de l'ordre de 7 diamètres, et même plus. Pour tenir compte du fait que des vibrations sont engendrées aussi bien selon le sens de l'usinage que selon le sens transversal au sens de l'usinage, on prévoit que les moyens amortisseurs principaux comportent des masses libres disposées et susceptibles de se mouvoir suivant un axe paral lèle au sens d'usinage et des masses libres dispqsées et sus ceptibles de se mouvoir suivant un axe perpendiculaire au sens d'usinage. De préférence, du fait que les vibrations dans le sens de l'usinage sont plus importantes que dans le sens transversal, on fait en sorte que le poids des masses libres disposées suivant un axe parallèle au sens d'usinage soit. su- périeur au poids des masses libres disposées suivant un axe perpendiculaire au sens d'usinage. En outre, pour tenir compte de la variation de la fréquence des oscillations lorsque la distance entre le support et la seconde extrémité du bras porte-outil varie, on prévoit que les moyens amortisseurs principaux comportent des masses libres de poids différents échelonnées longitudinalement et réparties par ordre de poids décroissant lorsque leur éloignement de la seconde extrémité du bras porte-outil augmente. Une disposition complémentaire de l'invention concerne le cas où l'outil est fixé de façon désaxée à l'extrémité du bras porte-outil,par exemple pour tailler des gorges en plongée : cet agencement entrains, en cours d'usinage, une vibration de torsion du bras porte-outil, qui s'ajoute à la vibration résultant de la dureté non infinie du coulissement dans les supports du bras porte-outil. Pour amortir ces vibrations de torsion, on prévoit en outre des moyens amortisseurs complémentaires à masses libres, montées élastiquement sur au moins un bras transversal s' éten- dant transversalement au bras porte-outil. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui suit de certains de ses modes de réalisation donnés à titre purement illustratif sans aucun caractère limitatif. Dans cette description, on se réfère aux dessins annexés sur lesquels -la figure 1 est une vue schématique générale d'un tour vertical agencé conformément à l'invention, - la figure 2 est une vue schématique, à plus grande échelle, d'une partie de la figure 1, - la figure 3 est une vue de dessus du dispositif de la figure 2, - les figures 4 et 4A représentent respectivement des variantes des dispositions représentées aux figures 2 et 3, - et les figures 5 à 7 représentent respectivement trois modes de réalisation d'une disposition complémentaire de l'invention. La description qui suit concerne à titre d'exemple un tour vertical sans que pour autant l'invention soit limitée à ce seul type de machine : comme indiqué précédemment, elle s'applique à toutes les machines travaillant par enlèvement de copeaux, telles que les tours tle bras porte-outil étant alors dénommé "coulant") ou les aléseuses (le bras porteoutil étant alors appelé "barre d'alésage"). A titre de simplification, on désignera, dans la suite de la description, le bras porte-outil par le terme "coulant". Sur la figure 1, on a représenté un tour vertical comportant un bâti 1 supportant un porte-pièce tournant 2 sur lequel est fixée une pièce 3 à usiner. Un outil 4 est porté à l'extrémité inférieure d'un coulant vertical 5 supporté par un chariot 6 de manière à pouvoir être déplacé verticalement, le chariot 6 étant luimême mobile sur un porte-chariot 7. Conformément à l'invention, pour absorber les vibrations se propageant dans le coulant 5 lorsque 1 'outil est engagé sur la pièce 3 à usiner, on prévoit d'équiper le coulant de moyens amortisseurs de vibrations 8. Lorsque les vibrations parviennent dans le coulant au niveau des moyens amortisseurs 8, l'énergie vibratoire est transmise à ces moyens amortisseurs qui l'absorbent en oscillant et qui l'amortissent grâce à leurs déplacements et, en choisissant des movens amnrtfls- seurs accordés de façon appropriée, comme cela sera expliqué plus loin, les vibrations ne reviennent pas en direction de l'outil 4. En raison du volume important des moyens amortisseurs mis en jeu pour obtenir un amortissement satisfaisant, tla présence de ces moyens amortisseurs double pratiquement l'encombrement transversal du coulant), les moyens amortisseurs sont disposés à l'extrémité 9 du coulant 5 qui est opposée à celle qui porte l'outil 4, de manière à ne pas encombrer l'espace entourant l'outil et à ne pas gêner l'usinage, notamment pour la réalisation d'alésages étroits et profonds. Comme représenté sur les figures 2 et 3, les moyens amortisseurs 8 sont constitués par des masses pesantes 10 réunies au coulant par l'intermédiaire de moyens élastiques procurant un amortissement, tels que des blocs d'élastomère 11, de manière qu'elles puissent osciller de façon amortie, selon une direction perpendiculaire à la surface correspondante du coulant,ou aussi en cisaillement (dans le cas des élastomères). Comme représenté sur la figure 4, les masses 10 peuvent également être disposées entre deux blocs d'élastomère 12, 13 dont l'un est fixé au coulant S et dont l'autre est fixé à un support 14 rigidement solidaire du coulant 5. Bien entendu l'utilisation de blocs d'élastomère n'est donnée qu'à titre d'exemple, et les moyens élastiques peuvent être constitués, de toute autre façon équivalente, telle que par des ressorts en hélices, et un amortissement supplémentaire peut être ajouté, par exemple en prévoyant des enceintes remplies d'huile à basse viscosité dans lesquelles baignent les masses. Sur la figure 4A, on a représenté des moyens amortisseurs constitués par une combinaison des deux dispositions qui viennent d'être mentionnées. Dans une enceinte fermée 14a s'étendant perpendiculaire-ment au coulant 5, une masse 10c, constituant un piston susceptible de se mouvoir à l'intérieur de l'enceinte, est disposée entre deux ressorts en hélice 12a et 13a prenant appui respectivement sur les parois opposées de l'enceinte. Pour amortir les déplacements d'oscillation de la masse vioc, l'enceinte est remplie d'huile et la masse 10c est percée d'au moins un canal 10d, de diamètre approprié pour obtenir l'amortissement requis, faisant communiquer entre elles les chambres situées de part et d'autre de la masse. Il peut être préférable d'opérer le transfert avec deux canaux débitant à une pression constante en sens inverse et contrôlés chacun par un clapet taré 10e. D'autres dispositifs provoquant un amortissement complémentai re pourraient également être prévus en lieu et place d'un amortisseur hydrau- lique, tel qu'un amortisseur à friction. Les poids des masses 10 ainsi que l'élasticité et l'amortis sement des moyens amortisseurs eont choisis en fonction de l'amplitude et de la fréquence des vibrations à amortir (système accordés. Pour tenir compte du fait que les vibrations créées dans le sens de l'usinage (double flèche 15 sur les fi gures ? et 3)sont plus importantes que les vibrations engendrées transversalement (double flèche 16 sur les figures i, 2 et 3), on prévoit de disposer suivant la direction d'usinage des masses 10a plus lourdes que les masses 10b disposées transversalement à la direction d'usinage. A titre d'exemple, dans un tour vertical dont le coulant de 22 cm de côté peut sortir du chariot de 1,6 mètre, le poids de la partie sortie étant de 400 kg, le poids des masses 10a disposées suivant la direction d'usinage est de 15% du poids de la partie sortie du coulant et celui des masses 10b disposées transversalement à la direction d'usinage est de 6 %. Par ailleurs, pour que l'amortissement soit efficace lorsque le coulant 5 est sorti au maximum, c'est-à-dire lorsque la longueur de la partie Sa du coulant comprise entre l'outil 4 et le chariot 7 est maximale (la longueur de la partie ~5b du coulant comprise entre le chariot 7 et les moyens amortisseurs 8 étant alors minimale), il convient que la longueur de la partie 5b représente alors au moins 60% de la longueur de la partie Sa. Au fur et à mesure que le coulant 5 remonte dans le chariot 7, la longueur de la partie Sa diminue et, corrélativement, la longueur de la partie 5b augmente, rendant alors plus efficace l'amortissement procuré par les moyens amortisseurs 8. Pour tenir compte de la variation de fréquence résultant des modifications respectives des longueurs des par ties Sa et 5b, on prévoit plusieurs masses libres 10a et plu sieurs masses libres 10b,distantes les unes des autres, dans la région d'extrémité du coulant et présentant des poids décroissants lorsque leur éloignement de l'extrémité du coulant augmente, comme représenté sur la figure 2 : les masses les plus lourdes, amortissant les fréquences les plus basses, sont les plus proches de l'extrémité O du coulant 5, tandis que les masses de plus faible poids, amortissant les fréquences les plus élevées, en sont les plus éloignées. Dans l'exemple numérique donné précédemment, les fréquences traitées sont comprises entre 32 et 77 Hz pour les vibrations selon la direction d'usinage et entre 55 et 149 Hz pour les vibrations transversales à la direction d'usinage. Dans ce cas, les masses destinées à amortir les fréquences basses sont trois fois plus lourdes que celles destinées à amortir les fréquences élevées, la proportion étant la même quelle que soit la direction des vibrations. Dans le cas où la longueur totale du coulant ne permet pas de faire en sorte que, lorsque le coulant est sorti au maximum, la longueur de la partie 5b représente 60% de la longueur de la partie Sa, comme mentionné précédemment, on dispose les masses libres 10 sur une prolonge 17 fixée au coulant et augmentant la longueur de celui-ci de la quantité requise (figure 21. Les dispositions qui viennent d'être décrites trouvent leur application lorsque l'outil est dans l'axe du coulant ou est peu désaxé par rapport à l'axe du coulant, et l'amortissement des vibrations ainsi procuré permet de conserver à la machine toutes ses possibilités d'usinage pour des longueurs de sortie du coulant beaucoup plus importantes que par le passé. On va maintenant décrire des dispositions complémentaires qui s'utilisent de préférence en combinaison avec les dispositions précédentes et qui trouvent leur application lorsque l'outil est désaxé par rapport au coulant, par exemple lorsqu'il est monté latéralement pour tailler des gorges en pongée. Ces dispositions complémentaires ont alors pour but d'amortir les vibrations de torsion du coulant et les vibrations dues à l'effet de tronçonnage. Selon une première disposition représentée sur la figure 5, (sur laquelle les éléments identiques à ceux de la figure,1 sont désignés par les mêmes références numériques) visant principalement à suppléer l'insuffisanx de rigidité en torsion du guidage du coulant dans le chariot et du chariot sur le porte-chariot, on prévoit des moyens amortisseurs 20 portés par l'entré mité libre d'un bras 21 rigidement fixé au coulant 5. Afin de dégager l'espace environnant l'outil 4, lequel est désaxé par rapport au coulant 5, le bras 21 est fixé à la partie supérieure Sb du coulant (c'est-à-dire la partie du coulant située au-dessus du chariot 6 Pour obtenir une rigidité suffisante, le bras 21 est constitué de deux branches rigides 22, réunies l'une à l'autre à la manière d'un V, les moyens amortisseurs étant supportés par la pointe du V et les extrémités opposées des branches du V étant respectivement fixées à des faces opposées du coulant (bras triangulé). En outre, la distance entre les moyens amortisseurs et le coulant doit être d'au moins la moitié de la longueur de la partie sortie Sa du coulant [ c'est-à-dire de la partie du coulant comprise entre l'outil 4 et le chariot 6l pour que soit obtenu un amortissement satisfaisant. Les moyens amortisseurs 20 peuvent être constitués de toute manière appropriée décrite ci-dessus.en référence aux figures 2 à 4. Dans les cas difficiles de tronçonnage avec une grande sortie du coulant 5, c'est-à-dire avec une grande longueur de la partie Sa du coulant, la disposition représen- tée à la figure 5 peut se révéler insuffisante et il faut alors disposer le bras au niveau de l'outil ou du porte-outil. Comme représenté sur la figure 6 (sur laquelle les éléments identiques à ceux de la figure 1 sont désignés par les mêmes références numériques), les moyens amortisseurs 25 sont portés par l'extrémité libre d'un bras 26 fixé par son autre extrémité à l'extrémité inférieure de la partie Sa du coulant 5 ou bien au porte-outil et s'étendant parallèlement à l'outil 4, à peu près dans le prolongement de celui-ci. On peut même constituer le bras sous forme d'une rallonge de la queue de l'outil, En raison du peu de place disponible à cet endroit, la disposition à deux branches utilisée dans le mode de réalisation de la figure 5 est ici difficile à mettre en oeuvre et on prévoit de constituer le bras 26 sous forme mono-branche. Les moyens amortisseurs 26 comprennent des masses libres constituées de l'une des manières décrites précédemment et ils sont portés par le bras de manière que les masses libres oscillent suivant une direction perpendiculaire au bras. Pour renforcer toutefois le tranchant qui découle de cette disposition, on prévoit des moyens amortisseurs supplémentaires 27 fixés latéralement à l'extrémité inférieure du coulant, c'est-à-dire fixés au coulant de manière que la ou les masses libres oscillent selon une direction perpendiculaire au bras 26, et accordés sur la longueur de la partie sortie Sa du coulant. A titre d'exemple, on a constitué les moyens amortisseurs 25 avec deux masses libres de 3,5 kg battant à 55Hz et portées par un bras de 0,60 m et les moyens amortisseurs 27 avec une masse libre de 7,5 kg On a pu alors réaliser facilement des gorges de 20 mm avec une longueur de sortie du coulant (c'est-à-dire une longueur de la partie Sa du coulant) comprise entre 1 m et 1,5 m alors qu'auparavant, sans moyens amortisseurs, les mêmes gorges étaient difficilement réalisables avec une longueur de sortie du coulant de 0,6 m. Dans le cas d'usinages extrêmement difficiles consistant à réaliser des gorges dans un alésage profond de diamètre à peine supérieur à la diagonale du coulant, les dispositions décrites en référence à la figure 6 ne peuvent pas être mises en oeuvre. Comme représenté sur la figure 7 (sur laquelle les éléments identiques à ceux de la figure 1 sont désignés par les mêmes références numériques ] , on cale sans jeu sur le porteoutil un tube 30 à parois relativement minces présentant des cannelures intérieures 31 à sa partie inférieure. Le tube 30 porte, à son extrémité supérieure, deux bras 32 diamétralement opposés et alignés l'un par rapport à l'autre, portant à leurs extrémités libres respectives des moyens amortisseurs 33 à masses libres susceptibles d'osciller selon une direction perpendiculaire aux bras. Grâce à cet agencement, l'espace environnant l'outil est dégagé et autorise des usinages tels que la réalisation de gorges dans des alésages profonds mentionnée plus haut. Si les moyens ainsi mis en oeuvre se révèlent insuffisants pour amortir les réactions apparaissant selon la direction d'usinage, on prévoit de les compléter de la manière suivante. Dans un porte-outil spécial 34, on creuse deux logements 35 s'étendant perpendiculairement à l'outil et disposés symétriquement par rapport au plan médian du porte-outil. Dans ces logements on dispose reepectivement des moyens amortisseurs 36 à masses libres, ne saillant pas de la paroi du porte-outil, ces masses libres pouvant si besoin en est être constituées en un alliage lourd. Les amortissements naturels fournis par les liaisons normales entre organes dans les machines à enlèvement de copeaux ne sont pas suffisants dans certaines conditions de travail et l'introduction d'amortissements supplémentaires par mise en oeuvre de masses libres à déplacement amorti, conformément à l'invention, permet d'éliminer les énergies vibratoires gênantes, et donc d'augmenter de façon notable les capacités des machines. Comme il va de soi et comme il résulte des considérations qui précèdent, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus spécialement envisagés ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Machine-outil, notamment pour l'usinage de pièces de grandes dimensions, comportant un outil porté par l'une des extrémités (première extrémité) d'un bras porteoutil monté dans la glissière d'un support pour pouvoir être déplacé longitudinalement, caractérisée en ce que l'autre extrémité (seconde extrémité) du bras porte-outil est munie de moyens amortisseurs principaux à masses libres montées élastiquement sur ladite seconde extrémité. 2. Machine-outil selon la revendication 1, caractérisée en ce que la distance entre ces moyens amortisseurs principaux et le support, lorsque l'outil se trouve dans sa position la plus éloignée dudit support, est au moins égale à 60% de la distance entre le susdit support et ledit outil. 3. Machine-outil selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les moyens amortisseurs principaux comportent des masses libres disposées et susceptibles de se mouvoir suivant un axe parallèle au sens d'usinage et des masses libres disposées et susceptibles de se mouvoir suivant un axe perpendiculaire au sens d'usinage. 4. Machine-outil selon la revendication 3, caractfi- risée en ce que le poids des masses libres disposées suivant un axe parallèle au sens d'usinage est supérieur au poids des masses libres disposées suivant un axe perpendiculaire au sens d'usinage. 5. Machine-outil selon l'une quelconque des-reven- dications 1 à 4, caractérisée en ce que les moyens amortisseurs principaux comportent des masses libres de poids différents échelonnées longitudinalement et réparties par ordre de poids décroissant lorsque leur éloignement de la seconde extrémité du bras porte-outil augmente. 6. Machine-outil selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre des moyens amortisseurs complémentaires à masses libres montées élastiquement sur au moins un bras transversal s'étendant transversalement au bras porte-outil. 7. Machine-outil selon la revendication 6, caractérisée en ce que le bras transversal est unique et en ce que la distance entre les moyens amortisseurs complémentaires et le bras porte-outil est au moins égale à la moitié de la distance entre l'outil et le support du bras porte-outil. 8. Machine-outil selon la revendication 6, caractérisée en ce que les bras sont au nombre de deux, s'étendant dans le prolongement l'un de l'autre par rapport au bras porte-outil. 9. Machine-outil selon la revendication 7 ou 8, caractérisée en ce que le ou les bras sont portés par une extrémité d'un élément tubul-aire solidarisé en rotation, par son extrémité opposée, à un porte-outil, ledit élément tubulaire étant disposé autour du bras porte-outil. 10. Machine-outil selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisée en ce que, au voisinage de la première extrémité du bras porte-outil, le bras porte-outil est creusé d'au moins un logement s'étendant transversalement au sens d 'u- sinage, une masse libre étant disposée dans chaque logement. 11. Machine-outil selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que les moyens amortisseurs principaux et/ou les moyens amortisseurs complémentaires comportent un dispositif d'amortissement du mouvement oscillatoire de leurs masses suspendues.