Brevet FR2451772A1 — publié le 19801017

La présente invention concerne un nouvel outil d'usinage et, plus précisément, un outil d'usinage tridimensionnel ayant une face de travail dont le relief correspond à l'inverse de celui à reproduire sur une pièce à usiner. La présente invention concerne aussi un procé- dé d'usinage tridimensionnel utilisant ce nouvel outil, ainsi qu'un procédé pour sa fabrication. Différents procédés d'usinage tridimensionnel sont connus, notamment l'usinage ultrasonique, l'usinage par électro-érosion et l'usinage électro-chimique. L'usinage ultrasonique consiste à interposer un abrasif véhiculé par un liquide entre la pièce et l'outil en imposant à ceux-ci deux mouvements l'un par rapport à l'autre, à savoir un mouvement alternatif rectiligne à fréquence ultrasonique et un mouvement d'avance linéaire. L'enlèvement de matière est réalisé par les particules d'abrasif, l'outil n'ayant pas de propriétés coupantes. Le domaine d'application de ce procédé est limité essentiellement à l'usinage de matériaux friables tels que les verres, les céramiques, le silicium, le graphite..... Par contre, les procédés d'usinage par électroérosion et par électro-chimie peuvent entre utilisés dans le cas de pièces en matériau non friable, à la condition toutefois que ce matériau soit conducteur de l'électricité. Il existe donc des limites à l'utilisation des techniques connues pour l'usinage tridimensionnel. La présente invention a pour but de fournir un outil d'usinage permettant d'usiner des pièces en matériau non friable pouvant fluer, ce matériau pouvant entre homogène, par exemple un métal, un alliage ou un matériau synthétique conducteur ou non de l'électricité, ou composite, comme par exemple dans le cas d'une pièce métallique comportant un ou plusieurs inserts en matière plastique. Ce but est atteint par un outil d'usinage ultrasonique dont la face de travail comporte, conformément à l'invention, des arêtes coupantes séparées les unes des autres par des parties en creux de largeur sensiblement constante, la face de travail, vue en coupe transversale par rapport aux arêtes coupantes, présentant la forme d'une denture le long du profil de cette face de travail. Par rapport aux outils d'usinage ultrasonique connus, l'outil conforme à l'invention se distingue donc notamment en ce qu'il possède des propriétés coupantes. L'outil conforme à l'invention peut être constitué par une tige métallique susceptible d'être animée d'un mouvement vibratoire longitudinal à fréquence ultrasonique et dont une des extrémités est la face de travail. Les arêtes coupantes de la face de travail peuvent être formées par des nervures à bords vifs, parallèles entre elles, et séparées les unes des autres par des sillons. Les nervures et sillons peuvent être rectilignes,courbes, ou en ligne brisée. Ils peuvent aussi s'é- tendre suivant des lignes courbes ou polygonales coaxiales fermées sur elles-mêmes. Les arêtes coupantes de la face de travail peuvent aussi être formées par une nervure unique qui s' enroule sur elle-même en forme de spirale, ceci désignant aussi bien un trajet en ligne courbe qu'un trajet en ligne brisée. Dans ce cas, les parties en creux forment un sillon unique délimité par la nervure en spirale. De préférence, ladite denture de la face de travail est formée de dents de largeur sensiblement constante comprise entre environ 0,1 et 1 mm. Les dents voisines sont séparées l'une de l'autre d'une distance sensiblement constante comprise entre environ 0,2 et 2 mm. De préférence encore, la profondeur des parties en creux entre les arêtes coupantes, ou hauteur des dents de la denture est sensiblement constante et au moins égale à 1,5 fois la largeur de ces parties en creux. La présente invention a aussi pour but de fournir un procédé d'usinage faisant application de 11 outil conforme à l'invention pour l'usinage de matériaux susceptibles de fluer tels qu'indiqués plus haut. Ce but est atteint par un procédé selon lequel on place en regard la face cie travail de l'outil et une face à usiner d'une pièce ; et on réalise au moins un cycle d'usinage au cours duquel on a p p 1 i q u e l'outil et la pièce l'un contre l'autre en e x e r ç a n t un e f f o r t s t-a t i q u e tout en faisant vibrer fréquence ultrasonique la pièce et l'outil l'un par rapport à l'autre dans une première direction sensiblement perpendiculaire auxdites faces en regard, de manière à faire pénétrer les arêtes coupantes de l'outil dans la pièce en repoussant le matériau constitutif de la pièce dans les parties en creux de la face de travail de l'outil, et on déplace l'outil et la pièce l'un par rapport à l'autre au moins dans une seconde direction différente de la première pour provoquer le cisaillement du matériau de la pièce à usiner repoussé dans lesdites parties en creux. Il n'y a pas d'amenée d'abrasif entre la pièce et l'outil. L'enlèvement de matière est produit en mettant en oeuvre les propriétés coupantes de l'outil. Le procède conforme à 11 invention peut donc être dénommé brochage ultrasonique. Le procédé de brochage ultrasonique peut être mis en oeuvre à chaud ou à froid. Il est particulièrement adapté à la réalisation de travaux de finition ou de retouches sur des pièces, notamment des pièces de fonderie, dont la face à usiner présente déjà un profil proche à celui à obtenir. Le procédé peut être mis en oeuvre en faisant vibrer l'outil, ou la pièce, ou les deux en même temps. Chaque cycle d'usinage dure seulement quelques secondes. Le brochage ultrasonique conforme à l'invention présente des avantages considérables par rapport aux procédés connus permettant d'obtenir des résultats semblables, à savoir l'électro-érosion, l'électro-chimie et le fraisage. Parmi ces avantages, on peut citer la rapidité, la possibilité d'usiner des matériaux non conducteurs de l'electricite, l'absence de forte puissance électrique avec les contraintes qui en résultent et la possibilité de reproduire un même relief sur dif férentes pièces avec une très grande précision. L'invention a encore pour but de fournir un procédé pour fabriquer l'outil conforme à l'invention. Ce but est atteint par un procédé selon lequel on réalise une ébauche de l'outil à fabriquer ; on réalise un empilement de tales parallèles entre elles et séparées les unes des autres, dans au moins une partie de l'empilement,pour laisser entre elles des espaces libres s'ouvrant tous sur au moins une même face de l'empilement ; on forme un outil de taillage de denture en reproduisant, dans ladite face de l'empilement, un relief inverse de celui à reproduire sur l'outil t et on usine l'ébauche d'outil au moyen de l'outil de taillage de denture. L'usinage de l'outil de taillage de denture et celui de l'ébauche d'outil pouvant être réalisés par électro-érosion. L'empilement de tôles peut être constitué de ou non tales planes /.Le terme empilement désigne aussi le cas ou l'on utilise des éléments en tle tubulaires, coaxiaux, à section transversale courbe ou polygonale et emboItOs les uns dans les autres. Cet empilement peut encore consister en une bande enroulée sur elle-même en spires non jointives. D'autres particularités et avantages de l'outil conforme à l'invention, du procédé d'usinage faisant application de cet outil et du procédé de fabrication de cet outil ressortiront à la lecture de la description faite, ci-après, à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins joints sur lesquels - la figure 1 est une vue en perspective d'un outil conforme à l'invention - la figure 2 est une vue schématique de détail en coupe de la denture dc l'outil de la figure 1 - les figures 3 et 4 sont des vues très schématiques de détail illustrant le procédé d'usinage conforme à l'invention - la figure 5 est une vue très schématique d'une installation d'usinage permettant la mise en oeuvre du procédé d'usinage conforme à l'invention ;; - les figures 6 à 9 sont des vues très schéma- tiques illustrant un procédé de fabrication de l'outil de la figure 1 ; et - les figures 10 à 17 sont des vues très schématiques en bout d'autres modes de réalisation d'un outil conforme à l'invention. L'outil 10 représenté sur les figures 1 et 2 comporte un corps d'outil il dont une face 12 constitue la face de travail de l'outil. Le corps d'outil 11 est une tige métallique, par exemple en acier d'outillage. La face 12 présente un relief général qui correspond à l'inverse de celui à reproduire sur la pièce. Cette face de travail 12 présente, sur toute sa surface active, une pluralité d'arêtes coupantes 13. rectilignes, parallèles les unes aux autres et séparées les unes des autres par des parties en creux, ou sillons 14. Les arêtes coupantes 13 sont des nervures à bords vifs et à section transversale rectangulaire (fi gure 2). Les faces parallèles en regard des arêtes voisines délimitent les sillons 14, lesquels ont une section transversale en forme de U. Les arêtes coupantes 13, vues en coupe transversale, forment donc une denture qui épouse le profil de la face de travail. Pour usiner une pièce 20(figures 3 et 4), on met en regard la face de travail 12 de l'outil et la face à usiner 22 de la pièce 20. Un effort statique F est exercé dans la direction longitudinale de l'outil, c'est-à-dire dans une direction sensiblement perpendiculaire aux faces 12 et 22, pour appliquer l'outil contre la pièce. On fait alors vibrer à fréquence ultrasonique l'outil par rapport à la pièce, les vibrations étant appliquées à l'outil ou à la pièce ou aux deux en même temps dans la direction P. Les effets conjugués de l'effort statique F et des vibrations ultrasoniques provoquent la pénétration des arêtes coupantes 13 dans la face 22 de la pièce 20. Comme indiqué plus haut, l'outil et le procédé d'usinage conformes l'invention sont applicables dans le cas de matériau a usiner susceptible d'être repoussé dans les sillons 14 lorsque les arêtes 13 pénètrent dans la face à usiner (figure 3). L'effort statique F est supérieur' 2 2 à 5 kg/cm2 de preference compris entre environ S et 20 kg/cm2. La pénétration, ou plongez, de l'outil dans la pièce est interrompue avant qu'elle soit rendue impossible par le remplissage complet des sillons par le mat6- riau ayant flué. Cette interruption est provoquée en faisant cesser les vibrations ultrasoniques, ou l'application de l'effort statique, ou encore les deux. Après le stade de plongée, on procède au stade d'arasage des parties de matériau ayant flué. Ceci est réalisé en déplaçant l'outil et la pièce l'un par rapport à l'autre, au moins une composante de ce mouvement étant un déplacement rectiligne de préférence alternatif avec au moins un aller et retour dans la direction P perpen diculaire à la direction P et aux arêtes coupantes. Ce déplacement a une amplitude totale au moins égale à la distance entre arêtes coupantes de manière à assurer le cisaillement complet des parties de matériau ayant flué dans les sillons. Le stade d'arasage terminé, et les débris d'usinage évacués, une nouvelle opération de plongée de l'outil dans la pièce à usiner peut être effectuée. Les opérations de plongée et d'arasage se succèdent jusqu'à obtention du résultat souhaité. L'usinage peut être réalisé avec ou sans lubrification. A titre de variante, les opérations de plongée et d' arasage pourront être combinées de manière à être réalisées simultanément. L'outil et la pièce sont alors soumis en même temps à un effort statique, à un mouvement relatif vibratoire à fréquence ultrasonique et à un déplacement relatif pour arasage. Du fait du mouvement alternatif pour arasage entre la pièce ou l'outil, le relief reproduit sur la pièce constitue un léger agrandissement de l'inverse de celui de la face de travail de l'outil. Aussi, le relief de cette face de travail est formé non pas pour correspondre exactement à l'inverse de celui à reproduire, mais pour en être une représentation légèrement sous-cotee. C'est l'amplitude du mouvement d'arasage qui détermine la sous-cote du relief de la face de travail de l'outil par rapport à l'inverse du relief à reproduire. Les dimensions de la denture de l'outil sont choisies de manière à conférer aux arêtes coupantes la résistance mécanique nécessaire tout en permettant leur pénétration dans la face d'une pièce à usiner sans trop de difficultés. La largeur t des nervures 13 (figure 2) est choisie de préférence entre environ 0,1 et 1 mm. Les sillons ont une laveur L au moins égale, et de préfér#r'ce légèrement supérieure, à t , de manière à réserver un espace suffisant pour le matériau fluant entre les arêtes lorsqu'elles pénètrent dans le matériau à usiner comme expliqué ci-après. Il est toutefois souhaitable d'avoir un nombre aussi grand que possible d'arêtes coupantes. Aussi, la largeur L est de préférence comprise entre 0,2 et 2 mm. La hauteur h des arêtes, c'est-à-dire la profondeur des sillons est choisie suffisamment grande de manière à permettre une pénétration significative des arêtes dans le matériau à usiner au cours de chaque plongée. Cette profondeur est donc de préférence supérieure à 1,5 fois la largeur L des sillons, c'est-àdire supérieure à environ 0,3 mm. En outre, pour conserver aux arêtes coupantes suffisamment de rigidité, il est souhaitable de conférer à la profondeur des sillons une valeur inférieure à environ 5 mm. La figure 5 illustre une installation permettant la mise en oeuvre du procédé d'usinage conforme a l'invention. La pièce à usiner 20 est placée sur un plateau horizontal 23, tandis que le corps 11 de l'outil 10 constitue une pièce vibrante du type de celle utilisée dans les machines d'usinage ultrasonique classique. Ce corps 11 est rendu solidaire à sa partie supérieure d'un convertisseur de type piézo-électrique 15 qui convertit en vibrations mécaniques des impulsions électriques à fr6- quence ultrasonique qui lui sont délivrées par un circuit 16. L'outil 10 et le convertisseur 15 sont montés dans un support 17, éventuellement avec interposition d'un amortisseur de vibrations. Le support 17 est mobile verticalement sous l'action, par exemple d'un vérin 18. Le plateau 23 est mobile horizontalement sous l'action d'un dispositif d'entrarnement 19, du type par exemple à excentrique, pour faire effectuer au plateau un mouvement de va-et-vient rectiligne d'amplitude limi tée perpendiculairement aux arêtes de coupe de l'outil. A titre de variante, le mouvement d'arasage pourra être un mouvement elliptique ou circulaire dans un plan horizontal. On pourra envisager un dispositif de commande automatique pour faire effectuer à l'installation des opérations successives de plongée et d'arasage de durées prédéterminées. A titre indicatif, une opération de plongée ou d'arasage peut être réalisée en quelques secondes. Comme indiqué plus haut, les opérations de plongée et d'arasage peuvent être conduites simultanément. Des moyens (non représentés) sont en outre prévus pour évacuer ] .es débris d'usinage, par exemple par jets d'air comprimé. On décrira maintenant en référence aux figures 6 à 9 un procédé de fabrication de l'outil décrit plus haut. Le relief à reproduire au moyen de l'outil à fabriquer étant disponible, on réalise une ébauche d'outil 29 en acier d'outillage par un procédé de copiage tridimensionnel par fraisage, électro-érosion ou électrochimie ,le relief reproduit sur l'ébauche étant légère ment sous-coté par rapport à l'inverse du relief à reproduire pour les raisons indiquées plus haut (figure 6). Par ailleurs, on réalise un empilement 30 comportant, alternativement des tôles d'acier 31 et des élé- ments intercalaires 32. Ces derniers ont des dimensions inférieures à celles des tôles de manière qu'une partie de l'empilement comporte uniquement des tôles séparées les unes des autres par des espaces vides 33 qui s'ouvrent sur une face 34 de l'empilement perpendiculaire aux tôles (figure 7). Les espaces vides 34 ont une largeur entre les tôles correspondant à l'épaisseur des éléments intercalaires. Au moyen d'une ébauche 35 dont la face de travail, comme l'ébauche 29, présente le relief à reproduire sur l'outil à fabriquer, on usine l'empilement 30 par électro-érosion afin de reproduire sur la face 34 l'inverse du relief à reproduire sur l'outil. Il est à noter que les éléments intercalaires 32 doivent être disposés de manière que toute la partie usinée de l'empilement soit libre d'élément intercalaire, et qu'à partir de la face usinée, les espaces entre les toles soient encore libres d'éléments intercalaires sur une profondeur h' supérieure à la profondeur des sillons à former sur l'outil (figure 8). L'empilement 30 usiné constitue un outil de taillage de denture 36 qui est utilisé comme électrode pour l'usinage par électro-érosion de l'ébauche 29. Cet usinage est poursuivi jusqu'a obtention dans la face de travail 12 des arêtes de coupe de hauteur h souhaitée (figure 9). La profondeur h' est choisie supérieure à la hauteur h pour tenir compte des phénomènes d'usure et permettre un rafratchissement périodique de la denture de l'outil 10 au moyen de l'outil 36. Dans la description qui précède, on a envisagé le cas d'un outil conforme à l'invention comportant des arêtes de coupe rectilignes parallèles entre elles. A titre de variante, ces arêtes de coupe pourront être disposées suivant des lignes courbes (figure 10) ou brisées (figure 11). Dans ce cas, l'outil de taillage de denture utilisé pour la fabrication de l'outil conforme à l'invention est fabriqué à partir d'un empilement de tôles pliées suivant les lignes des arêtes de coupe à reproduire sur l'outil. Les arêtes de coupe pourront même être disposées suivant des lignes fermées concentriques courbes (figure 12) ou brisées (figure 13). L'outil de taillage de denture utilisé pour l'obtention de l'outil conforme à l'invention est alors fabriqué à partir d'un "empilement" constitué par des éléments en tôles tubulaires emboîtés les uns dans les autres en étant maintenus espacés les uns des autres. Il est encore possible de former un outil conforme à l'invention avec une nervure unique enroulée sur elle-même en spirale suivant un trajet courbe (figure 14) ou brisé (figures 15 et 16), formant un sillon unique. L'outil de taillage de denture utilisé peut alors être simplement obtenu à partir d'un empilement formé par une bande ou feuillard de tôle enroulée sur elle-même en spires non jointives suivant la forme du sillon à produire sur la face de travail de l'outil. Enfin, on pourra former un outil comportant un premier empilement dans lequel est ménagé au moins un logement pour l'insertion d'un second empilement dont les arêtes de coupe ont une disposition différente de celle des arêtes de coupe du premier empilement. Dans le cas de la figure 17, un premier empilement 30' présente des arêtes de coupe disposées suivant les lignes droites parallèles et un second empilement 30", réalisé sous forme d'un insert disposé dans la partie centrale du premier, présente des arêtes de coupe disposées suivant des lignes polygonales fermées'concentriques. D'autres réalisations d'outils de taillage de denture comportant un ou plusieurs inserts pourront, bien entendu, être envisagées pour obtenir un outil conforme à l'invention ayant une denture composite particulièrement adaptée au relief qu'il a à reproduire. Dans le cas d'arêtes de coupe non rectilignes, il va de soi que le mouvement d'arasage doit être un mouvement composé, par exemple elliptique ou circulaire, de manière à provoquer, en chaque zone de l'outil, un déplacement perpendiculaire aux arêtes de coupe et à la direction longitudinale du corps d'outil, et d'amplitude au moins égale à la distance séparant les arêtes de coupe voisines. Comme indiqué plus haut, la présente invention permet de réaliser un usinage rapide et précis avec une excellente reproductibilité des reliefs. Un tel usinage est particulièrement adapté a la réalisation d'opérations de retouche ou de finition sur des pièces présentant déjà un relief proche de celui à obtenir, par exemple des pièces venues de fonderie, afin d'obtenir des reliefs identiques sur une série de pièces. Cette application particulière n'est donnée ici qu'à titre indicatif et ne constitue pas une limite aux possibilités d'utilisation de l'outil et du procédé d'usinage conformes à l'invention. Bien entendu, diverses modifications ou adjonctions pourront être apportées aux modes de réalisation décrits ci-dessus d'un outil conforme à l'invention, du procédé d'usinage faisant application de cet outil et du procédé de fabrication de cet outil sans pour autant sortir du cadre de protection défini par les revendications annexées. REVENDICATIONS 1. Outil d'usinage ultrasonique ayant une face de travail dont le relief correspond à l'inverse de celui à reproduire sur une pièce, caractérisé en ce que la face de travail comporte des arêtes coupantes séparées les unes des autres par des parties en creux de largeur sensiblement constante, la face de travail, vue en coupe tranSversale par rapport aux arêtes coupantes présentant la forme d'une denture le long du profil de cette face de travail. 2. Outil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est constitué par une tige métallique susceptible d'être animée d'un mouvement vibratoire longitudinal à fréquence ultrasonique et dont une des extrémités est la face de travail. 3. Outil selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les arêtes coupantes sont formées par des nervures à bords vifs, parallèles entre elles, et séparées les unes des autres par des sillons. 4. Outil selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les arêtes coupantes sont formées par une nervure unique qui s'enroule sur elle-même en forme de spirale. 5. Outil selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la denture est formée de dents de largeur sensiblement constante comprise entre environ 0,1 et 1 mm. 6. Outil selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les dents voisines de la denture sont séparées l'une de l'autre par un intervalle de largeur sensiblement constante comprise entre environ 0,2 et 2 mu. 7. Outil selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la hauteur des dents de la denture est sensiblement constante et au moins égale à 0,3 mm. 8. Procédé d'usinage ultrasonique au moyen de l'outil selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, procédé selon lequel on place en regard la face de travail de l'outil et une faces usiner d'une pièce et on fait vibrer à fréquence ultrasonique la pièce et l'outil l'un par rapport à l'autre dans une première direction sensiblement perpendiculaire auxdites faces en regard, caractérisé en ce que l'on réalise au moins un cycle d'usinage au cours duquel on applique l'outil et la pièce l'un contre l'autre, en exerçant un effort statique, tout en engendrant lesdites vibrations à fréquence ultrasonique pour faire pénétrer les arêtes coupantes de l'outil dans la pièce en repoussant le matériau constitutif de la pièce dans les parties en creux de la face de travail de l'outil, et on déplace l'outil et la pièce l'un par rapport à l'autre au moins dans une seconde direction différente de la première pour provoquer le cisaillement du matériau de la pièce à usiner repoussé dans lesdites parties en creux. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'on déplace l'outil et la pièce l'un par rapport à l'autre par un mouvement comportant au moins une composante perpendiculaire auxdites arêtes coupantes et à la première direction. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 et 9, caractérisé en ce que l'on déplace l'outil et la pièce l'un par rapport à l'autre par un mouvement d'amplitude maximale au moins égale à la largeur de l'intervalle séparant deux dents voisines de la denture de l'outil. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que, pour les appliquer l'un contre l'autre, l'on soumet l'outil et la pièce à un effort statique d'amplitude supérieure à 5 kg/cm2, 2 de préférence comprise entre 5 et 20 kg/cm 12. procédé pour la fabrication d'un outil selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'on réalise une ébauche de l'outil à fabri quer; on réalise un empilement de tôles parallèles entre elles et séparées les unes des autres, dans au moins une partie de l'empilement pour laisser entre elles des espaces libres s'ouvrant tous sur au moins une même face de l'empilement perpendiculaire aux tôles ; on forme un outil de taillage de denture en reproduisant, dans ladite face de l'empilement, un relief inverse de celui à reproduire sur l'outil ; et on usine l'ébauche d'outil au moyen de l'outil de taillage de denture 13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'outil de taillage de denture est formé dans l'empilement par électro-érosion au moyen d'une électrode dont la face de travail porte le relief à reproduire sur l'outil. 14. procédé selon l'une quelconque des revendications 12 et 13, caractérisé en ce que l'outil est formé au moyen de l'outil de taillage de denture par électroérosion. 15. Procédé selon l'une quelconque des revendications 12 à 14, caractérisé en ce que l'on forme l'empilement par superposition de tôles planes parallèles. 16. Procédé selon l'une quelconque des revendications 12 à 14, caractérisé en ce que l'on forme l'empilement par emboîtement d'éléments tubulaires coaxiaux. 17. Procédé selon l'une quelconque des revendications 12 à 14, caractérisé en ce que l'on forme l'empilement en enroulant une bande sur elle-même en spires non jointives.