Brevet FR2435314A1 — publié le 19800404

La présente invention concerne les procédés d'usinage et a notamment pour objet un procédé d'usinage de surfaces telles que des surfaces d'about, des surfaces de joint, des faces de pièces circulaires ou analogues, au moyen d'outils rotatifs. L'invention peut être utilisée avec succès dans la construction des machines, dans les industries aéronautique, navale et autres, pour la mise en dimension et le finissage des surfaces d'about, de préférence celles de pièces annulaires en matières tenaces, difficiles à usiner, qui, pendant la coupe, sont suJettes à la formation de débordements ou excroissances considérables qui nuisent sensiblement à la qualité et à la précision de finition. L'usinage des métaux par enlèvement de copeaux (par coupe) est le procédé le plus important dans la technologie de la construction des machines. Cela stexplique par la réduction à un minimum du cycle des préparatifs lors de la fabrication de pièces de conception compliquée, par les faibles besoins en énergie et le haut rendement lors de travaux de finition compliqués demandant beaucoup de main d'oeuvre. Le problème majeur du développement de l'usinage par coupe consiste à élever son rendement, tout en satisfaisant aux exigences sévères de précision et de qualité des surfaces usinées.L'importance de ce problème s'est surtout accrue à la suite de l'utilisation de plus en plus large de nouvelles matières, dont l'usinage s'effectue avec une productivité de 10 à 25 fois inférieure à celle des aciers au carbone et alliés. On connaît des méthodes visant àélever la productivité lors de l'usinage par coupe, ainsi que la qualité et la précision des surfaces usinées, qui consistent à améliorer la construction et à optimaliser les paramètres géométriques des tranchants des outils connus, à améliorer la qualité de leurs surfaces actives, à appliquer de nouveaux modes de refroidissement et de méthodes d'usinage spéciales telles que la coupe à très grande vitesse avec chauffage ou refroidissement poussé de l'outil ou de la pièce, or ces méthodes sont compliquées, nécessitent beaucoup de main d'oeuvre ou sont peu efficaces. Par ailleurs, les possibilités technologiques de l'usinage par coupe peuvent outre considérablement élargies par l'application de procédés de coupe par outil en rotation, dans lesquels le tranchant rond de rartjl reçaLt pendant l'usinage un mouvement de rotation supplémentaire autour de son axe, ce qu'on obtient en plaçant l'outil dans une position déterminée par rapport à la surface à usiner. Lors de la coupe rotative, la vitesse de glissement des surfaces actives de l'outil sur la matière à usiner diminue de 1,5 à 3 fois à la suite de la rotation supplémentaire communiquée aux tranchants de l'outil. En outre, la longueur de la partie active du tranchant augmente de plusieurs dizaines de fois et le temps de contact entre chaque point du tranchant et la matière à usiner diminue. L'ensemble des facteurs exposés ci-dessus permet d'augmenter de plusieurs fois la tenue de l'outil et, par conséquent, d'élever le rendement, la précision et la qualité de l'usinage. Toutefois, parallèlement aux particularités avantageuses précitées de la coupe rotative, celle-ci présente l'inconvénient d'une faible résistance aux vibrations, ce qui limite les possibilités d'application de ce mode d'usinage lorsqu'il faut assurer une haute précision et une qualité élevée de l'usinage. On connaît un procédé de coupe rotative (voir le certificat d'auteur n0 428864 délivré le 6 février 1973 en U.R.S.S.) suivant lequel l'axe des disques tranchants de l'outil de coupe se trouve sous un angle de 15 à 350 par rapport au plan principal. La diminution de la surface de contact entre le tranchant et la pièce à usiner a pour effet de diminuer l'effort de coupe et de stabiliser la vitesse de rotation de l'outil, ce qui permet de diminuer le risque d'apparition de vibrations pendant la coupe et d'une baisse de la qualité et de la précision de l'usinage. Selon une autre méthode d'élévation de la résistance aux vibrations au cours de la coupe, on charge préalablement l'outil pour compenser l'influence des forces de coupe sur la déformation des éléments de l'outil. On connaît un procédé de coupe rotative (selon le certificat d'auteur n0 536886, délivré le 11 février 1975 en U.R.S.S.) qui consiste à charger au préalable la partie mobile de l'outil rotatif par des forces de valeur voisine et de sens opposé aux efforts de coupe. Ce procédé permet d'augmenter la ré distance aux vibrations pendant la coupe et d'élever par conséquent la précision et la qualité de l'usinage. On connaît un procédé d'usinage de surfaces d'about au moyen d'outils rotatifs, dans lequel la pièce est animée d'un mouvement de rotation, et l'outil, d'un mouvement d'avance rectiligne suivant le rayon de la place. Ces procédés connus d'usinage des surfaces d'about par coupe rotative n' assurent pas uneefficacité suffisante pour l'obtention d'une haute précision et d'une qualité élevée de l'usinage. Cet inconvénient est dû à ce que la coupe se déroule à une vitesse réelle variable. Il en résulte une influence inévitable sur le caractère des phénomènes se produisant dans les Zones de contact des surfaces actives de l'outil avec la matière à usiner. 11 s'ensuit que le processus de coupe s'accompagne de variations continues des forces et du coefficient de frottement, du retrait des copeaux, du déplacement relatif, des efforts et de la température de coupe, de l'intensité de l'usure du tranchant, de la valeur et de la forme du dégagement qui apparaît sur cette dernière, etc.Ceci entraîne pendant l'usinage une varation des paramètres relatifs à la qualité et à la précision (forme et hauteur des micro-aspérités, taux et profondeur de la déformation plastique superficielle, valeur et caractère de la répartition des contraintes résiduelles, valeur de la surface de référence, pouvoir de réflexion, etc.). Il en résulte que certaines parties de la surface finie présentent différentes qualités d'usinage, di9fé- rentes précisions, de la forme géométrique et des dimensions, et présentent donc différentes caractéristiques d'exploitation. On s'est donc proposé de mettre au point un procédé d'usinage de surfaces ou analogues d'about, dans lequel l'outil de coupe rotatif serait déplacé par rapport à la surface à usiner de façon à stabiliser la valeur de la vitesse vraie de coupe pendant toute la durée du cycle d'usinage, et à élever ainsi la qualité et la précision de l'usinage. Ce problème est résolu du fait que le procédé d'usinage de surfaces telles que des surfaces d'about, des surfaces de joint, des faces de pièces circulaires ou analogues, au moyen d'outils rotatifs, du type dans lequel la pièce à usiner est animée d'un mouvement de rotation tandis que l'outil de coupe reçoit un mouvement d'avance rectiligne suivant le rayon de la pièce, est caractérisé, suivant l'invention, en ce que ledit mouvement d'avance rectiligne s'effectue sous un angle de 20 à 750 par rapport au rayon de la pièce. Le fait que l'avance de l'outil s'effectue sous un angle de 20 à 750 par rapport au rayon de la pièce permet de stabiliser la vitesse réelle de coupe pendant toute la durée du cycle d'usinage, ce qui contribue à élever la qualité et la précision des surfaces usinées. On a choisi l'angle d'avance dans les limites indiquées en partant des raisonnements suivants. Le déplacement de l'outil de coupe sous un angle par rapport au rayon de la pièce permet à sa lame coupante de changer sans cesse de position par rapport à la direction du vecteur de la vitesse de rotation de la pièce au sommet de outil. Dans ces conditions, l'angle de fixation de l'outil par rapport au vecteur mentionné, qui est un angle complémentaire à 900 par rapport à l'angle du sens du mouvement d'avance, change lui aussi. La valeur minimale de l'angle de fixation est limitée par la nécessité d'assurer la stabilité de la rotation de l'outil pendant l'usinage et est de 150. Donc, l'angle du mouvement d'avance est égal à 90 -15 =750. A des angles de fixation de l'outil supérieurs à 700, les copeaux se séparent incomplètement de l'ébauche, ce qui entraîne un accroissement considérable des forces agissant sur l'outil et provoque des vibrations entraînant un effritement intense du tranchant et nuisibles à la précision et à la qualité de l'usinage.Donc, la limite inférieure préférée de l'angle du sens du mouvement d'avance est 90 ~70 =20 D'autres caractéristiques et avantages de lfinvention seront mieux compris à la lecture de la description détaillée suivante d'un exemple non limitatif de réalisation de ltinvention, en se référant au dessin unique annexé dans lequel - la figure 1 est une vue schématique de la position relative de l'outil rotatif et d'une pièce à usiner se présentant sous la forme d'un anneau - la figure 2 est une vue en coupe suivant II-II de la figure 1. Dans le procédé d'usinage de faces ou de surfaces en bout de pièces au moyeu d'outils rotatifs, la pièce à usiner 1 (figure 1) est animée d'un mouvement de rotation à une vitesse n1 autour de son axe géométrique 01, ce mouvement étant le mouvement de coupe principal. L'outil 2 est disposé par rapport à la surface à usiner 3 (figure 2) de la pièce 1, de façon que son tranchant 4 et la surface à usiner 3 forment un angle ss . On varie la valeur de cet angle dans les li Pites de 5 à 45O en fonction du rapport entre les dimensions de la pièce et les exigences auxquelles doivent satisfaire la rugosité (aspérités) de la surface usinée.La rotation de l'outil 2 autour de son axe 02 résulte de son interaction avec la pièce à usiner I (n2 est la vitesse de rotation de ltoutil). Pour stabiliser cette rotation, le plan d'inclinaison de l'axe 02 de l'outil 2 est tourné, aux points examinés A et B (figure 1), par rapport aux vecteurs vA et VB 2 d'un angle WÂ et d'un angle uiBs respectivement. On usait que la vitesse vraie de coupe V est égale à la vitesse de glissement de la surface en dépouille de l'outil 2 par rapport à la pièce 1 à usiner, et que dans le cas de la coupe par outil rotatif, elle est calculée d'après la formule V =EV1 (1) dans laquelle V1 est la vitesse de rotation de la pièce E En cas de rotation stable de l'outil et de faible rapports t/d (t - profondeur de coupe, d - diamètre de la partie tranchante); l'outil de coupe se met automatiquement en régime de vitesses de frottement minimales de la surface en ddpouille, et on peut considérer, avec une erreur infé- rieure à 5%, que # = cos # (2) où UJ est l'angle entre le plan d'inclinaison de l'axe 2 de l'outil de coupe 2 par rapport au vecteur du mouvement principal au sommet 03 (figure 2) de l'outil de coupe (au point de son tranchant correspondant à la péné- tration maximale dans le matériau à usiner). Les auteurs de l'invention ont établi que pour assurer la stabilité des vitesses vraies de coupe en tous les points de la trajectoire du déplacement relatif de l'outil 2 et de la surface à usiner 3, l'outil 2 doit se déplacer, pendant la coupe, suivant la direction de la droite AB formant avec le rayon A01 de la pièce 1 un angle A que l'on appellera dans la suite de la description "angle du mouvement d'avance". Vu que les vecteurs VA et VB de la vitesse du mouvement I I principal aux points extrêmes A et B de la trajectoire rectiligne de l'outil 2 diffèrent non seulement en valeur mais aussi en direction, la valeur réelle de l'angle de fixation (t A > ( B) varie elle aussi au cours de l'usinage. Parallèlement à la droite AB on trace un diamètre passant par l'axe 1 de rotation de la pièce 1. On abaisse sur la droite AB des perpendiculaires AD et BE, égales entre elles, passant par des points A et B éloignés de l'axe de rotation de la pièce 1 d'une distance correspondant aux rayons RA et RB. Considérant les triangles AD01 et BE01 on trouve H = RA cos#A = RB cos#A = (3) Le rapport des vitesses vraies de coupe aux points A et B est où VAet V3 sont les vitesses vraies de coupe aux points A et B et et V1B, les vitesses linéaires de la pièce 1 aux points 1 A et B et a3, coefficients de vitesses aux points A et B. Compte tenu de l'expression (2) on obtient En comparant les expressions (3) et (5) on trouve VA = VB, ce qui signifie que la vitesse vraie de coupe de l'outil rotatif 2 reste invariable lors de son mouvement sous l'angle jApar rapport au rayon RA de la pièce 1. Le mouvement d'avance peut s'effectuer suivant la droite du point A au point B (du grand rayon RA vers le petit rayon R3) et dans le sens inverse, de B vers A, ce qui ae fait varier que le schéma d'usinage et le sens d'évacuation de copeaux. La valeur minimale de l'angle de fixation trest limitée par la stabilité de rotation de l'outil 2 pendant l'usinage ; elle est égale à 15 . Lorsque l'angle # est supérieur à 700, il se produit une séparation incomplète des copeaux d'avec la matière. Dans ce cas, les forces agissant sur l'outil s'accroissent considérablement et les vibrations qui prennent naissance provoquent un effritement intense du tranchant et une altération de la précision et de la qualité d'usinage. Vu que l'angle it du mouvement d'avance est un angle complémentaire à 900 par rapport à l'angle de fixation W et en tenant compte de la limitation de l'angle , on obtient une plage de 20 à 750 de variation de l'angle i entre la direction du mouvement d'avance et la direction radiale. Pour des rayons donnés d'usinage RA et RB on fixe pour l'angle s une valeur qui ne sorte pas des limites de ladite plage. Dans la pratique, l'usinage avec un mouvement d'avance sous un angle St par rapport à la direction radiale s'effectue par déplacement d'une valeur H du sommet A de l'outil par rapport à l'axe 1 de rotation de la pièce, cette valeur H ne devant pas sortir des limites RA cos #A Ci-dessous sont donnés des exemples concrets mais non limitatifs de mise en oeuvre du procédé, objet de l'invention. Exemzle 1 Il faut usiner la face d'une pièce en forme d'anneau dont les diamètres extérieur et intérieur sont respectivement RA = 200 mm et RB = 75 mm, la hauteur de la pièce étant de 43 mm. La pièce est fabriquée en acier peu carburé, dont la teneur en carbone est d'environ 0,2". L'opération est réalisée sur un tour. Le régime d'usinage est le suivant vitesse de rotation de la broche - 250 tr/mn; profondeur de coupe 0,2 à 0,3 mm; avance - 0,7 mm/tr. L'usinage est exécuté avec un outil rotatif et dans le sens allant du petit rayon vers le grand rayon. Le déplacement H du sommet du tranchant par rapport à l'axe de rotation de la pièce, pour la valeur minimale de l'angle de fixation, est déterminée comme suit HB = RB cos# B = 75 ~ cos 15 = 72,75 mm. Pour le point final A et pour 1'.angle maximal on a HA = RA cos# A = 200 ~ cos 70 = 68,4 m. Vu que les valeurs HA et HB diffèrent peu entre elles, on choisit comme valeur moyenne du déplacement : H = 70,5 ms. Dans ce cas, l'angle entre la direction du mouvement d'avance et le rayon de la pièce est arc sin (cos #B) = arc sin HR =: 70 10' B L'outil de coupe étant fixé avec un déplacement H par rapport à l'axe des pointes du tour, ltopérateur met en marche la commande de rotation de la broche et de mouvement d'avance. Le cycle d'usinage se termine au bout de 0,8 mn. La hauteur des micro-aspérités est de 3 à 5#, la non planeité ne dépasse pas 0,03 mm. Exemple 2 Il faut usiner la surface de travail d'une pièce du type plateau d'embrayage par pression, en fonte inoculée. L'usinage est réalisé sur un tour double, vertical, semi automatique. Dimensions de la pièce : RA = 132 mm; RR r 56 mm. On commence l'usinage du côté du grand rayon. On détermine le déplacement pour les deux points extrêmes A et B HA = 45,1 mm HB = 54,3 mm On choisit une valeur moyenne de déplacement H -50mi. Alors l'angle # de la direction du mouvement d'avance est H " = arc sin HR = 22 20' A Régime d'usinage : profondeur de coupe - 0,3 mm; avance par tour de la pièce - 0,8 mm/tr ; vitesse de rotation de la pièce - 600 tr/mn. L'outil de coupe étant fixé avec un déplacement H, l'opérateur fixe la pièce sur la machine-outil et met en marche cette dernière. Le cycle d'usinage se termine au bout de 0,15 mn. Le temps de tenue de l'outil est gal à 300 minutes de temps machine. La hauteur des micro-aspérités de la surface finie est de 5 à7 # ; l'écart de planeité ne dépasse pas 0,05 mm. Exemple 3 Il faut usiner sur un tour la surface de joint du corps d'un réducteur soudé, en acier à faible teneur en carbone (0,3% environ). La pièce est montée sur le plateau tournant du tour de façon à ce que le diamètre maximal d'usinage soit de 1900 mm, et le diamètre minimal, de 1580 mm. On détermine la valeur du déplacement H HA:1900 cos 700 - 1900 ~ 0,342 a 650 mm H13a 1580 ~ cos 150 1580 ~ 0,97 r 1532 mm Etant donné, que dans cet exemple concret, l'usinage est réalisé avec un mouvement d'avance allant du grand rayon vers le petit, et en tenant compte du fait que la coupe a un caractère discontinu et percussif, il faut établir les plus petites valeurs possibles des angles ut de changement de marche du tranchant sur les tronçons de la surface usinée à grand rayon. Par conséquent on choisi H = HR = 1532 mm L'angle # de la direction du mouvement d'avance est alors égal à arc sin 1532 : 590401 1900 Régime d'usinage : profondeur de coupe - 0,15 à 0,20 mm; avance - I mm/tr; vitesse de rotation du plateau - 80 tr/mn. La hauteur des micro-aspérités de la surface finie est dans les limites de 3 à 8 #, l'écart de planéité est de 0,04mm au maximum sur toute la longueur du corps. Bien entendu, 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 des revendications qui suivent. REVENDICATIONS 1. - Procédé d'usinage de surfaces telles que des surfaces en bout, des surfaces de joint, des faces ou analogues de pièces de différentes formes au moyen d'outils rotatifs, du type dans lequel la pièce est animée d'un mouvement de rotation, et l'outil, d'un mouvement d'avance rectiligne suivant le rayon de la pièce, caractérisé en ce que le mouvement d'avance rectiligne de l'outil s'effectue sous un angle de 20 à 750 par rapport au rayon de la pièce. 2. - Pièces, produits ou articles caractérisés en ce qu'ils sont usinés conformément au procédé faisant l'objet de la revendication 1.