Brevet FR2489192A1 — publié le 19820305

La présente invention concerne une fraise annulaire en bout du type rainuré. L'invention a pour objet de prolonger la durée en service des fraises annulaires rainurées et d'amélio- rer le fini des trous percés avec de telles fraises. Les outils rainurés destinés à percer des trous tels que des forets classiques et des fraises annulaires, comme celles décrites dans les brevets des Etats Unis d'Améri- que N' 2 444 099 et n0 Re 28 416, présentent des arêtes de coupe orientées radialement à l'ex-trémité d'attaque de l'outil et des gorges ou rainures généralement hélicoïdales se pro- longeant vers le haut à partir des arêtes de coupe pour éva- cuer les copeaux du trou en cours de perçage. La périphérie de ces outils de perçage est définie par des lames ou cordons séparant les rainures successives. Avec de tels outils il est courant de meuler ou former d'une autre manière les cordons de façon qu'ils présentent un détalonnage radial dirigé vers l'arrière d'un témoin rectifié circulairement au bord d'atta- que de chaque lame. Ces témoins se prolongent axialement par rapport à l'extrémité radialement externe des arêtes de coupe à l'extrémité d'attaque de l'outil et sont destinés à confé- rer à ce dernier une stabilité radiale ou latérale. La sta- bilité latérale est absolument nécessaire avec des outils rai- nurés travaillant en bout de ce type afin de maintenir la di- mension et le fini du trou. Dans les fraises annulaires du type susmen- tionné, la largeur de ces témoins a été couramment comprise entre environ 1,524 et 2,54 mm, indépendamment du diamètre de la fraise. La largeur du témoin de telles fraises ne varie pas en fonction du diamètre de la fraise, car l'effort imposé aux dents ne varie pas d'une façon significative avec le dia- mètre, étant donné que les fraises de plus grandes dimensions ont habituellement un plus grand nombre de dents. Par ailleurs, dans le cas des forets, la largeur des témoins augmente en cas d'augmentation du diamètre,étant donné que l'effort imposé aux dents du foret varie selon le diamètre de ce dernier. Par exem- ple, le témoin est d'environ 1,016 mm sur un foret de 12,7 mm d'environ 1, 27 mm sur un foret de 19,05 mm et d'environ 2,032mm sur un foret de 31,75 mm. Les largeurs des témoins d'outils rainurés travaillant en bout comprises dans les plages sus- mentionnées ont toujours été considérées comme nécessaires non seulement du point de vue de la stabilité latérale conférée à l'outil,mais également pour éviter une usure rapide et exces- sive à la jonction entre les témoins et les arêtes de coupe à l'extrémité d'attaque de l'outil. Jusqu'à présent, on a toujours pensé que la sensibilité à l'usure rapide des extrémités externes des arê- tes de coupe de tels outils était en rapport avec la résistance des arêtes de coupe en cet endroit. Ainsi, on pensait qu'un témoin relativement large était indispensable afin d'offrir une masse suffisante à l'extrémité externe des arêtes de coupe pour résister à l'effort de coupe et pour dissiper la chaleur engendrée à cet endroit. Dans le cas de forets présentant deux arêtes de coupe, il semble que ce raisonnement soit valable. Toutefois, dans le cas des fraises annulaires du type décrit dans le brevet des Etats Unis d'Amérique n0 Re 28 416 pré- cité, contrairement aux suppositions qui sont à la base de la détermination de la largeur minimale nécessaire des témoins, le demandeur a trouvé que si le bord d'attaque de chaque lame présente un témoin relativement étroit, la longévité de l'ou- til est en fait sensiblement prolongée et le fini du trou est amélioré en comparaison du résultat obtenu en présence d'un témoin relativement large. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limi- tatif et sur lesquels: la figure 1 est une vue en perspective d'une fraise annulaire selon la présente invention la figure 2 est une vue fragmentaire à grande échelle d'une partie de la fraise représentée sur la figure 1 qui est entourée par le cercle 2 la figure 3 est une vue fragmentaire d'une dent de la fraise dans le sens de la flèche 3 de la figure 2; la figure 4 est une vue fragmentaire en bout 2489 1 9 d'une dent de la fraise montrant ce que l'on pense être une raison pour laquelle la fraise de la présente invention donne de meilleurs résultats; et la figure 5 est une vue analogue à la figure 4, montrant une fraise selon l'art antérieur. En se référant tout d'abord à la figure 1, la fraise annulaire de la présente invention est désignée d'une façon générale par 10 et comporte un corps 12 et une queue 14. Le corps 12 à la forme d'une cuvette renversée présentant une paroi latérale 16 et une paroi supérieure 18. L'extrémité inférieure de la paroi latérale 16 présente plusieurs dents de coupe 20 régulièrement espacées. Chaque dent 20 comporte une arête de coupe radialement interne 22 et une arête de coupe radialement externe 24. Ces arêtes sont illustrées en particulier sur les figures 2 et 3. Comme le montre la figure 2, l'arête 22 est à distance en avant (dans le sens de rota- tion désigné par la flèche 0) de l'arête 24. Ces deux arêtes sont séparées circonférentiellement par un épaulement 26 (figure 4) et sont décalées verticalement ou axialement comme on le voit sur la figure 3. Les deux arêtes 22, 24 sont déca- lées à la fois radialement et axialement, de sorte que, lorsque la fraise est avancée dans une pièce, les arêtes de coupe 22, 24 coopèrent pour tailler une gorge annulaire dans la pièce et chaque arête forme son propre copeau individuel. Le fond de la gorge taillée dans la pièce présente une section ayant un profil qui est complémentaire de celui des arêtes de coupe 22, 24, comme on le voit sur la figure 3. En d'autres termes, la gorge taillée dans la pièce présente un épaulement radial con- centrique qui est défini par la partie, désignée par 28 sur la figure 3, de l'épaulement circonférentiel 26 de chaque dent. Comme on le voit sur les figures 2 et 4, la face inférieure de chaque dent présente deux faces en dépouille ou détalonnées 32, 34. Dans la position de fonctionnement de la fraise, la face détalonnée 32 est inclinée axialement vers le haut dans une direction orientée radialement vers l'inté- rieur et la face détalonnée 34 est inclinée axialement vers le haut dans une direction orientée radialement vers l'exté- rieur. En outre, chacune de ces faces détalonnées est incli- née vers le haut à partir des arêtes de coupe 22, 24 dans le sens circonférentiel pour assurer la dépouille nécessaire. Les deux faces détalonnées se rejoignent le long d'une crête 36 qui ellemême intersecte l'arête de coupe externe 24. La fraise présente un creux 44 et une rainure 46 entre les dents successives. Chaque creux 44 est défini, à proximité de l'arête de coupe 22, par une face antérieure 48 qui est inclinée vers le haut et vers l'arrière par rap- port au sens de rotation de la fraise. L'extrémité supérieure de chaque creux 44 est définie par une surface curviligne 50 qui s'incline vers le haut dans une direction orientée radia- lement vers l'extérieur, comme le montre la figure 3, pour décharger les copeaux taillés par l'arête 22 dans la rainure adjacente 46. Chaque rainure 46 se prolonge hélicoldalement de bas en haut autour de la périphérie de la paroi latérale 12. Chaque rainure est délimitée par une face interne circon- férentielle 54 qui affleure l'épaulement 26, par une face avant 56 et une face arrière 58. La face avant 56 de chaque rainure 46 constitue la face arrière d'une lame 60 entre chacune des rainures 46. La face 56 est inclinée radialement vers l'inté- rieur de façon à former un détalonnage radial directement à proximité de chaque arête de coupe externe 24. La fraise telle qu'elle a été décrite jusqu'ici est généralement identique à celle du brevet des Etats Unis d'Amérique n0 Re 28 416 précité. -A proximité du bord d'attaque de chaque face 56, chaque lame 60 présente un témoin étroit 62 qui est recti- fié circulairement au diamètre voulu de la fraise. Dans l'ou- til de la présente invention, le témoin 62 a une largeur cir- conférentielle comprise entre environ 0,127 et 0,762 mm et de préférence ne dépasse pas environ 0,635 mm. Pour des raisons qui ne sont pas très évidentes, lorsque la largeur du témoin 62 se trouve dans cette plage, la longévité des arêtes de coupe 22, 24, avant de nécessiter un réaffutage, est considérablement prolongée et le fini du trou percé par la fraise est très sen- siblement amélioré par rapport à la durée en service de l'ou- til et au fini de la surface obtenus lorsque la largeur du témoin est d'au moins 1,524 mm. Bien qu'on que ne connaisse pas parfaitement les raisons pour lesquelles la fraise présentant l'étroit témoin susmentionné assure un meilleur rendement, on pense que les meilleurs résultats obtenus sont attribuables dans une certaine mesure au fait qu'une fraise annulaire du type décrit est d'une façon inhérente beaucoup plus stable dans le sens latéral ou radial qu'un foret ou autre type de fraise an- nulaire rainurée. Contrairement à un foret, la fraise annu- laire de la présente invention comporte au moins six dents, ce qui se distingue d'un foret classique qui ne présente que deux arêtes de coupe. En outre, la fraise de la présente invention comporte sur chaque dent au moins deux arêtes de coupe déca- lées à la fois radialement et circonférentiellement, chacune d'elles étant destinée à tailler un copeau individuel. Par con- séquent, la fraise présente d'une façon inhérente une bonne stabilité latérale grâce au nombre de ses dents et aussi à cause de l'épaulement concentrique (désigné par 28 sur la fi- gure 3) qui est formé dans la rainure taillée par les dents de la fraise. On considère que c'est à cause de la stabilité latérale inhérente de la fraise qu'il est possible de tolérer un témoin très étroit à l'extrémité d'attaque de chaque lame sans que ce soit aux dépens de la stabilité latérale. La comparaison des figures 4 et 5 permet de voir une raison pour laquelle la fraise de la présente inven- tion est considérée comme assurant un fini beaucoup plus fin du trou percé que celui obtenu avec une fraise de la technique antérieure présentant un témoin relativement large. Par exem- ple, la fraise de l'art antérieur illustrée sur la figure 5 est sensiblement identique à celle représentée sur la figure 4, excepté que le témoin 64-présente une largeur d'au moins 1,524 mm en comparaison du témoin 62 de la figure 4 qui a une largeur d'environ 0,254 mm. En présence d'un témoin relativement large comme celui représenté en 64 sur la figure 5, s'il se produit une obstruction entre le témoin 64 et la paroi latérale du trou, la pression unitaire imposée à la matière obstruante est sensiblement inférieure et le frottement est sensiblement supérieur à ceux qu'impose le témoin très étroit indiqué en 62 sur la figure 4. Ainsi, si un copeau 66 taillé par l'une des arêtes de coupe de l'outil se coince entre la paroi laté- rale du trou en cours de perçage et le témoin 64, la partie de ce copeau coincée entre le témoin 64 et la paroi latérale du trou est retenue prisonnière et peut être chauffée à une température relativement élevée à cause de la friction qui se produit entre eux. Dans ces conditions, le copeau 66 peut érail- ler l'outil et la paroi latérale du trou et, s'il est chauffé à une température suffisamment élevée, il peut en fait se sou- der au témoin 64. Par ailleurs, si le témoin est relativement étroit, comme celui illustré en 62 sur la figure 4, la partie du copeau 66 qui peut être retenue prisonnière entre l'étroit témoin et la paroi latérale du trou est soumis à une pression unitaire extrêmement élevée qui tend à déchirer ou briser le copeau avant qu'il soit suffisamment chauffé pour provoquer une éraillure ou un soudage. On pense que la forte pression unitaire résul- tant de la présence d'un témoin très étroit et la possibilité de refroidir plus efficacement l'extrémité externe des arêtes externes de coupe 24 contribuent à la longévité sensiblement plus grande de l'outil de la présente invention. Comme le montre la figure 1, un canal classique 68 réservé à un fluide de refroidissement est ménagé dans la queue de l'outil pour acheminer ledit fluide de refroidissement à l'intérieur de la fraise en forme de cuvette, de haut en bas jusqu'aux arêtes de coupe 22, 24. Le fluide de refroidissement s'écoule jusqu'aux arêtes de coupe puis radialement vers l'extérieur jusqu'à la périphérie de la fraise.Ce fluide de refroidissement est désigné par 68' sur les figures 4 et 5. On constate sur la figure 4 que le fluide de refroidissement s'écoule vers une région qui est beaucoup plus près de l'extrémité externe de l'arête de coupe 24 que lorsque la fraise présente un témoin large, comme celui désigné par 64 sur la figure 5. La circulation du fluide de refroidissement plus près de l'extrémité externe de l'arête de coupe 24, combinée avec le fait que la masse de la dent située directement derrière l'extrémité externe de l'arête 24 est sensiblement plus petite en présence'd'un témoin étroit qu'en présence d'un témoin large, maintient l'extrémité exter- ne de chaque arête 24 t la partie la plus vulnérable de l'aré- te de coupe) à une température sensiblement inférieure. Par suite, l'arête de coupe reste beaucoup plus longtemps affutée si on empêche qu'elle soit surchauffée. On présume également qu'un témoin très étroit empêche une usure rapide et excessive de l'extrémité externe de l'arête externe de coupe car, comme on l'a indiqué plus haut, un témoin très étroit assure l'application d'une pres- sion unitaire relativement élevée. La forte pression unitaire, contrairement à une pression unitaire relativement faible, per- met à l'extrémité externe de l'arête de coupe de pénétrer suf- fisamment dans le matériau en cours de perçage pour qu'il cisaille le matériau au lieu de produire une résistance de frottement sur ce dernier. Il est évident que, à cause du dé- calage des broches porte-outils et de l'impossibilité de réa- liser un outil dont les témoins définissent un cercle parfai- tement concentrique à l'axe de l'outil de coupe, l'application d'un effort radial entre les témoins à l'extrémité d'attaque de l'outil et la paroi latérale du trou en cours de perçage est inévitable. Cependant, si cet effort radial se traduit par l'application d'une pression unitaire relativement grande, le témoin pénètre en réalité dans le métal et le cisaille de la même manière qu'une arête de coupe. Toutefois, lorsque le té- moin est relativement large, l'effort radial imposé à l'extré- mité d'attaque de l'outil se traduit par l'application d'une pression unitaire relativement faible qui n'est pas suffisante pour provoquer une pénétration. Par suite, il se produit un échauffement et une usure. Ce phénomène s'aggrave progressi- vement et se traduit par une ébréchure des dents et une usure excessive des deux arêtes de coupe et plus particulièrement de l'extrémité externe de l'arête externe de coupe 24. Contrairement aux fraises annulaires classi- ques du type rainuré, qui présentent une conicité inverse d'environ 0,002 à 0,003 cm par cm axial, il s'est également avéré que, lorsque la fraise présente un témoin ne dépassant pas environ 0,762 mm et de préférence plus petit, le rendement de la fraise est amélioré si la conicité inverse est entière- ment supprimée ou ramenée à une valeur ne dépassant pas envi- ron 0,0005 cm par cm de longueur dans le sens de l'axe. En diminuant la conicité inverse à une valeur minimale, on pré- sume que la stabilité latérale est améliorée,étant donné que même une étroite lame de longueur suffisante n'impose pas une trop forte pression unitaire susceptible de faire pénétrer le témoin dans la paroi latérale du trou en cours de perçage sur toute sa longueur. De plus, lorsque la conicité inverse est supprimée ou ramenée à environ 0,0005 cm par cm de longueur, la fraise peut être réaffûtée à plusieurs reprises sans dimi- - nuer sensiblement son diamètre externe. TABLEAU 2,286 50 0,127 0,102 - 0,1905 1,12 - 1,64 250 100 0,127 0,254 - 0,3048 1,12 - 1,94 350 1,016 50 0,1524 1,143 - 0,254 1,19 - 1,34 100 0,1524 0,2286 - 0,3302 1,27 - 1,72 250 0,762 50 0,05 0,127 - 0,1905 1,12 - 1,27 100 0,076 0,1778 - 0,2032 1,19 - 1,5 250 150 0,127 0,2667 - 0,3175 1,04 - 1,5 250 0,6985 50 0,025 0,0635 - 0,1016 1,12 - 1,27 100 0,076 0,1524 - 0,2032 1,04 - 1,42 100 0,1143 0,2032 - 0,3302 1,12 - 1,42 125 0,508 50 0,0127 0,076 - 0,127 1,12 - 1,27 125 100 0,0381 0,1143 - 0,1524 1,12 - 1,34 250 0,076 0,127 - 0,2032 1,12 - 1,42 350 0,127 0,2032 - 0,254 1,19 - 1,42 350 Largeur des Nombre Usure Usure des Fini Nombre.. Usure des témoins dtrous périphérique dents (mm) Puissance de la (mm) dtru (mm) surface _ TABLEAU (suite) Largeur des Usure Fini témoins dtomse périphérique dents dmm Puissance de la (mm) [mm) surface 0,381 50 0,05 0,076 - 0,1143 1,12 - 1,34 63 0,076 0,102 - 0,1397 1,19 - 1,42 75 0,102 0,1524 - 0,2032 1,12 - 1,34 100 0,127 0,2286 - 0,2794 1,19 - 1,34 100 250 0,127 0,254 - 0,3302 1,19 - 1,42 100 0,127 O, 254 50 0,0254 0,038 - 0,0635 1,04 - 1,19 75 0,051 0,102 - 0,127 1,12 - 1,27 75 0,076 0,152 - 0,203 1,12 - 1,27 75 0,089 0,178 - 0,229 1,04 - 1,27 75 250 0,102 0,203 - 0,254 1,04 - 1,19 75 300 0,127 0,279 - 0,343 1,04 - 1,27 75 Le tableau ci-dessus donne les résultats des essais effectués avec des fraises du type représenté sur la figure I comportant des témoins de largeurs différentes. Les trous ont été percés dans de l'acier d'une épaisseur de 25,4 mm connu sous la désignation commerciale "Jalloy" qui présente une teneur en carbone d'environ 0,30 %, une teneur en manganèse d'environ 1,65 %, une teneur en chrome d'environ 1,2 %, une teneur en silicium comprise entre environ 0,15 et 0,30 % ainsi que d'autres ingrédients en quantités moindres. L'acier pré- sente une dureté RocKwell à l'échelle C qui est comprise entre 28 et 32. La raison pour laquelle on a choisi cet acier est qu'il est normalement considéré comme difficile d'y percer des trous et d'y obtenir un bon fini. Dans tous les essais effec- tués, la broche de la machine-outil, sur laquelle les fraises ont été montées a été mise en rotation à une vitesse de 250 tours/minute avec une vitesse d'avance de 88,9 mm par minute. La puissance nécessaire pour faire tourner la broche a été con- tinuellement contrôlée et enregistrée. Après chaque série de 1 0 cinquante trous, on a mesuré l'usure périphérique, l'usure des dents et le fini de la surface du trou. L'usure périphé- tique représente la diminution du diamètre à l'extrémité d'at- taque de la fraise. La colonne intitulée "usure des dents" donne une mesure des largeurs, dans le sens circonférentiel, des zones aplaties par usure sur les dents initialement poin- tues. Le fini de la surface est indiqué en fonction du nombre de tours de façonnage de microfinition. Chaque fraise com- porte six dents, présente un diamètre de 20,64 mm et une pa- roi d'une épaisseur d'environ 3,94 mm. Le premier trou percé avec chaque fraise présente un fini de surface correspondant à 75 tours de façon- nage, à. l'exception de la fraise présentant des témoins d'une largeur de 0,381 mm qui présente un fini de surface corres- pondant à 63 tours de façonnage. L'examen visuel des fraises après chaque série de 50 trous, révèle clairement qu'à mesure que le coin externe de chaque arête externe de coupe, le coin désigné par 70 sur la figure 3, est de plus en plus arrondi par l'usure, la puissance nécessaire pour faire tourner la fraise augmente. L'expérience a révélé qu'avec la machine par- ticulière utilisée pour les essais, lorsque la puissance com- mence à dépasser 1,5 kW, il est très possible que, si l'on continue à utiliser la fraise sans la réaffûter, elle se coince dans la pièce et se brise. En conséquence, compte tenu des résultats des essais effectués, il a été déterminé que la lar- geur du témoin ne doit pas dépasser environ 0,762 mm. La lar- geur minimale du témoin doit être d'environ 0,127 mm pour per- mettre d'utiliser la fraise dans un canon de perçage, mais une largeur de témoin de cette valeur est difficile à obtenir du point de vue commercial car il serait difficile de maintenir des tolérances aussi serrées d'une façon économique lors de la production en série. En conséquence, si les tolérances de rectification peuvent être maintenues à environ ' 0,3175 mm, la largeur nominale du témoin doit être d'environ 0,4445 mm. Comme mesure de sécurité, il est préférable de maintenir la largeur du témoin à environ 0,635 mm au maximum. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à la fraise décrite et représentée, sans sortir du cadre de l'invention. il REVENDICATIONS 1. Fraise annulaire en bout comprenant un corps (12) en forme de cuvette renversée ayant une paroi supé- rieure (18) et une paroi latérale annulaire (16), cette der- nière présentant plusieurs dents de coupe (20) espacées circonférentiellement autour de son extrémité inférieure, chaque dent ayant au moins deux arêtes de coupe (22, 24) orientées radialement, ces arêtes de chaque dent étant décalées circon- férentiellement et axialement, ladite paroi latérale (16) pré- sentant des rainures hélicoïdales (46) qui se prolongent vers le haut entre les dents successives, les rainures circonféren- tiellement successives étant séparées par des lames hélicoi- dales (60) fraise caractérisée en ce que le bord d'attaque de chaque cordon ou lame (60) présente un témoin (62) concentrique à l'axe de la fraise (10) et s'étendant axialement jusqu'à l'a- rête de coupe (24) radialement la plus externe, lesdites lames (60) présentant une dépouille radiale directement derrière chaque témoin (62), lesdits témoins ayant une largeur circon- férentielle ne dépassant pas environ 0,762 mm à proximité des arêtes de coupe (24). 2. Fraise selon la revendication 1, carac- térisée en ce que les témoins ([62) présentent une largeur sen- siblement uniforme sur toute leur longueur axiale. 3. Fraise selon la revendication 1, carac- tériséeen ce que les témoins (62) présentent une largeur cir- conférentielle inférieure à environ 0,635 mm. 4. Fraise selon la revendication 1, carac- térisée -en ce que les témoins (62) présentent une largeur nomi- nale d'environ 0,4445 mm. 5. Fraise selon la revendication 1, carac- térisée en ce que lesdits témoins (62) ont une largeur circon- férentielle minimale d'environ 0,127 mm. 6. Fraise selon la revendication 1, carac- térisée en ce que la paroi latérale (16) de la fraise (10) présente une conicité inverse autour de sa périphérie qui ne dépasse pas environ 0,0005 cm par cm de longueur. 7. Fraise selon la revendication 1, carac- 2489 1 92 térisée en ce qu'elle comporte une queue (14) se prolongeant vers le haut à partir de la paroi supérieure (18). ladite queue étant percée d'un canal (68) réservé à un fluide de refroidissement et traversant ladite paroi supérieure pour S pénétrer dans le corps (12) afin d'acheminer le fluide de refroidissement jusqu'aux dents (10').