Brevet FR2523011A2 — publié le 19830916

FR 2523011 A2 19830916 FR 8218345 A 19821102 l La présente invention concerne une fraise à alé- ser. Lors de la découpe d'un trou à l'aide d'une frai- se annulaire, les dents de la fraise découpent une gorge circulaire dans la pièce, avec formation d'un noyau cylin- drique central à l'intérieur de la fraise Les fraises sont souvent réalisées de manière qu'il reste un certain espace entre la périphérie interne de la paroi latérale de la frai- se et la périphérie externe du noyau central afin que le noyau ne se coince pas dans la fraise et qu'il reste un passage pour la circulation d'un fluide de refroidissement dans la fraise, jusqu'aux dents de celleci Dans le cas des fraises en forme de minces lames de scie circulaire, cet espace peut être délimité comme décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique Nu 3 559 513 selon lequel des dents choisies, placées autour de la circonférence de la fraise, sur moins de la moitié de celle-ci, sont repliées légèrement vers l'intérieur Cependant, les fraises utili- sées pour la découpe de trous dans des pièces métalliques épaisses et non dans des feuilles de métal, n'ont pas la forme d'une lame de scie repliée en cercle, mais sont usi- nées dans des barres et ont une paroi latérale relativement épaisse Dans le cas des fraises de ce dernier type, la délimitation d'un espace entre la périphérie interne de la paroi latérale de la fraise et le noyau central est obtenue normalement par réalisation de la périphérie interne de la-paroi latérale de la fraise sous une forme tronconi- que en direction axiale, par rectification La différence sur le diamètre entre les deux extrémités de la paroi laté- rale, due à cette conicité, est d'environ 200 microns. La résistance mécanique d'une fraise annulaire est normalement déterminée essentiellement par l'épaisseur de la paroi latérale ayant la denture Cependant, l'effica- cité de la coupe diminue normalement lorsque l'épaisseur de la paroi augmente puisque la largeur de la gorge découpée varie avec l'épaisseur de la paroi latérale Lors de la réalisation d'une fraise usinée à aléser ayant une conicité 2 2523011 à sa périphérie interne, la résistance mécanique est déter- minée par la partie la plus mince de la paroi latérale En conséquence, dans le cas d'une fraise ayant une partie in- terne tronconique, si la paroi latérale a une épaisseur' prédéterminée au niveau de la denture, l'épaisseur de la paroi se rétrécit vers l'extrémité proche de la tige En conséquence, dans le cas d'une fraise destinée à tailler dans une matière relativement épaisse, on ne peut pratique- ment pas obtenir l'espace nécessaire entre la fraise et le noyau par usinage d'une partie tronconique interne sur la fraise. Cependant, même dans le cas des fraises à cavi- té interne tronconique, le problème du coincement du noyau dans la fraise n'est pas totalement supprimé Ce comportement est d au fait que, lorsque la fraise avance-dans la pièce, le noyau s'échauffe et se dilate En conséquence, à la fin de l'opération de coupe, le diamètre du noyau est normalement légèrement supérieur au diamètre interne de la paroi latérale à l'extrémité correspondant aux dents En conséquence, le noyau est coincé dans la fraise et provoque souvent une rupture des dents. L'invention du brevet principal concerne une fraise usinée à aléser qui laisse le jeu voulu entre la paroi latérale de la fraise et le noyau central, sur toute la longueur, sans réduction importante de l'épaisseur de la paroi latérale de la fraise. Plus précisément, l'invention est décrite sous forme d'une fraise usinée à aléser dans laquelle l'espace nécessaire entre la fraise et le noyau central est obtenu par formation de la fraise de manière que la périphérie ex- terne de la paroi latérale soit concentrique à l'axe central autour duquel la fraise tourne et la périphérie interne de la paroi latérale est excentrique par rapport à cet axe. Comme la périphérie externe de la fraise est concentrique à l'axe central, le trou formé est lisse et précis Cependant, comme la périphérie interne est excentrée par rapport à l'axe de rotation de la fraise, le diamètre du noyau central est inférieur au diamètre interne de la paroi latérale de la fraise d'une quantité égale au double de l'excentricité précitée. Le perfectionnement décrit dans la présente ad- dition concerne un dispositif de détermination du degré d'excentricité que doit avoir la paroi latérale de la fraise afin que celle-ci puisse former le jeu nécessaire entre la périphérie interne de la fraise et la périphérie externe du noyau central. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va sui- vre, faite en référence au dessin annexé sur lequel: la figure 1 est une perspective d'une fraise annulaire du type décrit dans le brevet principal; la figure 2 est une coupe d'une fraise selon l'invention, représentée dans une position de pénétration dans une pièce; la figure 3 est une coupe de la fraise de la figure 2 suivant la ligne 3-3; les figures 4 à 10 représentent schématiquement l'action de découpe de chaque dent de la fraise représentée sur la figure 3 lorsqu'elle pénètre dans une pièce les figures l A et ll B représentent schématique- ment la configuration et la dimension des copeaux dans le cas de deux fraises ayant des nombres différents de dents et la même excentricité; et la figure 12 est une vue partielle de bout d'une variante de fraise. La fraise 10 représentée sur la figure 1 a une tige 12 'et un corps 14 Ce dernier a la forme d'une coupelle retournée si bien que, comme indiqué sur la figure 2, il est délimité par une paroi supérieure 16 et une paroi latérale annulaire -18 L'extrémité inférieure de la paroi latérale 18 de la fraise représentée sur les figures 1 à 3 a six dents 20 de coupe espacées circonférentiellement. La périphérie externe de la paroi latérale 18 a des canne- lures hélicoïdales 22 qui remontent à partir des espaces 252301 t séparant les dents successives 20 Dans la fraise représen- tée, la configuration de chaque dent 20 est pratiquement Comme décrit dans le brevet redélivré des Etats-Unis d'Amé- rique NO 28 416 Plus précisément, chaque dent 20 a un bord 24 de coupe interne radialement et un bord 26 de coupe exter- ne radialement Le bord interne 24 de chaque dent est décalé vers l'avant dans le sens de rotation de la fraise par rap- port au bord externe 26 Le bord 24 délimite l'extrémité inférieure d'un passage interne 28 destiné à chasser les co- peaux découpés par le bord 24 vers l'extérieur, dans la can- nelure 22. La périphérie externe de la tige 12 est usinée de manière qu'elle soit concentrique à l'axe central A 1 de la fraise avec une très grande précision Cette tige 12 a de préférence un trou central débouchant 30 permettant la di- rection vers le bas d'un liquide de refroidissement transmis à l'arbre qui retient la tiges à l'intérieur de la fraise et vers les dents 20. Comme indiqué sur la figure 3 qui représente la caractéristique la plus importante de la fraise, la périphé- rie externe de la paroi latérale de la fraise, formée par les portées 25, est usinée concentriquement à l'axe A 1 avec une grande précision, de préférence avec des tolérances de + 50 microns La périphérie interne de cette paroi 18 est usinée concentriquement à l'axe A 2 avec une grande précision, c'est-à-dire avec les mêmes tolérances que la périphérie externe Cependant, l'axe A 2 est légèrement décalé par rap- port à l'axe A 1 en direction radiale Des essais ont montré qu'une fraise ayant environ 5 à 8 dents donne tout à fait satisfaction lorsque l'axe A 2 est décalé par rapport à l'axe A 1 d'une distance au moins égale à 125 microns environ Sur la figure, ce décalage axial des axes A 2 et AI porte la ré- férence e Des essais ont montré que 5 à 8 dents donnent les meilleurs résultats sur de l'acier doux lorsque la dimension e n'est pas inférieure à 125 microns environ, en ce qui con- cerne la finition de surface, le défaut de circularité et la précision dimensionnelle du trou formé. Les figures 2 et 3 indiquent que l'axe A 2 est décalé vers la droite par rapport à l'axe A 1 Les cannelures 22 sont toutes usinées à la même profondeur et, en conséquen- ce, la dent 20 a qui se trouve du côté gauche de la figure 3, est la dent la plus large et la dent diamétralement opposée d est la dent la plus étroite Les dents 20 b et 20 c sont progressivement plus étroites que la dent 20 a et les dents e et 20 f sont progressivement plus larges que la dent 20 d. Il s'ensuit que, par rapport au noyau central 32 formé lors- que la fraise pénètre dans la pièce, la surface externe finie est créée uniquement par la dent 20 a qui a le bord de coupe placé le plus à l'intérieur en direction radiale Les ex- trémités internes des bords de coupe restants sont toutes décalées radialement vers l'extérieur de la surface externe finie du noyau 37 comme indiqué sur la figure 3 L'espace courbe 33 ainsi formé par décalage des axes A 2 et Al consti- tue un excellent passage axial du fluide de refroidissement du trou 30 de la tige 12 vers le bas, vers les dents de coupe de la fraise En outre, dès que les dents pénètrent à la face inférieure de la pièce W, le noyau central 32 tombe librement de la fraise puisque son diamètre externe est inférieur au diamètre interne de la paroi 18, d'une quantité égale au double de la dimension e. Lors de l'utilisation de la fraise décrite, la surface interne de la paroi 18 est au contact de la surface externe finie du noyau 32 en théorie uniquement suivant un axe aligné sur l'extrémité radialement interne de la dent a On a constaté qu'il était souhaitable que la surface interne de la paroi 18 soit usinée avec une forme légèrement tronconique afin que le contact de frottement de la fraise et du noyau 32 soit réduit au minimum Cependant, cette conicité porte sur une longueur faible par rapport à la lon- gueur de la paroi 18 Par exemple, la partie conique qui porte la référence 34 sur la figure 2, se termine à l'empla- cement 36 et a une longueur axiale comprise entre environ 6 et 13 mm seulement La longueur de la partie tronconique est telle que, à l'emplacement 36, le diamètre de la périphé- rie interne de la paroi 18 est supérieur d'environ 100 à microns au diamètre à l'extrémité inférieure de la frai- se En d'autres termes, la conicité totale est de l'ordre d'environ 50 à 75 microns. Lorsque la fraise à six dents représentée sur la figure 3 a une excentricité d'environ 125 microns et une vitesse d'avance d'environ 300 microns par tour ( 50 microns par dent), la découpe réalisée à chaque tour de la fraise lorsqu'elle pénètre dans la pièce est schématiquement re- présentée sur les figures 4 à 10 Sur ces figures, f repré- sente l'avance par dent et t représente l'épaisseur radia- le du copeau usiné à la surface périphérique externe du noyau central 32 Le copeau réellement découpé par chaque dent est schématiquement représenté sous forme d'un trait plein épaissi à la partie inférieure de chaque figure, et les copeaux découpés par les dents précédentes sont repré- sentés en trait fin interrompu au-dessus des traits pleins dans chaque figure. Lorsque la fraise commence la coupe (figure 4), la dent 20 a découpe la gorge la plus large et la dent dia- métralement opposée 20 d commence la coupe avec une gorge de même profondeur, mais ayant une largeur minimale La dent b augmente alors la profondeur de la gorge de la même avance f, mais avec une largeur plus faible que celle de la dent 20 a Simultanément, la dent 20 e diamétralement oppo- sée à la dent 20 b découpe une gorge de même profondeur, mais légèrement plus large que la gorge formée par la dent 20 d. Lorsque la fraise continue à tourner en avançant dans la pièce, il arrive un moment o les bords internes des dents e, 20 f et 20 a commencent à retirer du métal à la périphérie du noyau central qui a été usiné par la dent précédente plus étroite et ainsi, l'espace 33 est formé En conséquence, comme indiqué à gauche sur les figures 8, 9 et 10, les parties radialement internes qui remontent, formées par les copeaux coupés à la périphérie externe du noyau central par les dents successives 20 e, 20 f et 20 a,ont une hauteur qui augmente progressivement Une action analogue a lieu lors- que ces dents prennent une position diamétralement opposée comme indiqué à droite sur les figures 5, 6 et 7 Comme in- diqué précédemment, la surface finie du noyau central 32 est formée par la dent la plus large 20 a. Il apparaît d'après l'explication qui précède que la relation suivante est satisfaite t = 12 e n dans laquelle N représente le nombre de dents et h = nf h étant la hauteur de la partie remontante du copeau usiné à la surface périphérique du noyau central. Dans le cas d'une fraise telle que représentée sur la figure 3, ayant six dents et une excentricité d'envi- ron 125-microns et pour une avance d'environ 50 microns par dent, l'épaisseur axiale de chaque copeau est d'environ 50 microns et l'épaisseur radiale des copeaux remontants dé- coupés par chacune des dents 20 e, 20 f et 20 a est d'environ 43 microns, ces derniers copeaux ayant une hauteur qui aug- mente successivement d'environ 100 à environ 300 microns. Ces relations dimensionnelles sont représentées sur le co- peau agrandi de la figure ll A Une fraise raisonnablement aiguisée peut découper des copeaux dans cette plage de di- mensions avec peu de difficulté lorsque la pièce est formée d'acier mi-dur au carbone. La relation indiquée précédemment montre que, lorsque tous les autres paramètres restent identiques, l'épaisseur radiale du copeau diminue alors que sa hauteur augmente lorsque le nombre de dents augmente Par exemple, lorsqu'une fraise a vingt dents au lieu de six, l'épaisseur radiale du copeau est réduite à 130 microns et la hauteur maximale du copeau est portée à 1 mm A titre comparatif, un tel copeau est représenté sous forme agrandie par la fi- gure ll B. L'expérience a montré que, lorsque le nombre de dents augmente alors que les autresparamètres sont constants, il arrive un moment o la poussée radiale accrue exercée sur la fraise du fait du copeau de hauteur relativement grande et le plus grand nombre de dents de coupe placées à la péri- B phérie du noyau central se combinent de façon nuisible a la difficulté de la découpe d'un copeau qui est extrêmement mince en direction radiale, en provoquant un fléchissement radial de la fraise dans son ensemble Ce phénomène est par- ticulièrement remarquable dans les machines-outils relative- ment petites (telles que les ensembles de perçage à base magnétique et portatifs d'un autre type) et est moins appa- rent avec les machines-outils plus rigides et non élastiques (par exemple les perceuses sensitives, les tours, les frai- seuses, etc) Cependant, lorsque la fraise fléchit radiale- ment, le trou de la fraise pilote celle-ci sur le noyau cen- tral au lieu d'usiner le noyau au petit diamètre voulu de finition et oblige la périphérie externe de la fraise à tourner autour de l'axe excentrique A 2 au lieu de tourner autour de l'axe central A 1 Il se forme alors un trou sur- dimensionné dans la pièce et le noyau central se coince dans le trou de la fraise Une avance inférieure à 50 microns par dent n'est pas utilisable en pratique et est inefficace. Simultanément, il faut un bord de coupe extrêmement aiguisé pour la découpe d'un copeau à la périphérie du noyau central avec une épaisseur radiale inférieure à 25 microns environ lors d'une découpe dans du métal tel que l'acier doux Les borde de coupe d'une fraise même extrêmement aiguisés de- viennent suffisamment émoussés même dans l'acier doux après la découpe de 5 ou 7,5 cm d'épaisseur pour qu'elle ne puisse plus découper un copeau ayant une hauteur notable et une épaisseur radiale inférieures à 25 microns Lors de la dé- coupe des métaux qui s'écrouissent, tels que certains aciers inoxydables, il faut qu'une charge plus importante soit appliquée sur les copeaux internes par les dents plus larges. Compte tenu des considérations qui précèdent, on détermine selon l'invention qu'en pratique, la fraise doit être réali- sée de manière que l'épaisseur radiale du copeau découpé à la périphérie du noyau central ne soit pas inférieure à 25 microns environ En conséquence, lorsque la moitié du nombre de dents découpent des copeaux à la surface périphé- rique externe du noyau central (les dents 20 e, 20 f et 20 a sur la figure 3) et lorsque l'excentricité est d'environ microns, le nombre de dents de la fraise ne doit pas dépasser 8 environ D'autre part, si la fraise a un nombre de dents aussi élevé que vingt et est usinée excentrique- ment de manière que la moitié des dents forment une découpe à la périphérie du noyau central, l'excentricité ne doit pas être inférieure à 250 microns environ. L'excentricité nécessaire peut être maintenue à une valeur minimale, avec conservation de la charge ra- diale nécessaire des copeaux internes, à environ 25 microns par dent par dégagement du bord de coupe interne d'un cer- tain nombre de dents relativement larges Par exemple, dans la fraise représentée sur la figure 3, lorsque l'excentricité est d'environ 125 microns et l'extrémité interne de la dent 20 f est dégagée radialement afin que seules les dents 20 e et a découpent la périphérie du noyau central, les copeaux découpés par chacune des deux dents ont une épaisseur radiale d'environ 63 microns De manière analogue, lorsque, sur une fraise à 20 dents, le bord interne d'une dent sur deux est dégagé radialement afin que 5 seulement des 20 dents décou- pent la surface périphérique du noyau central, chacune de ces 5 dents forme un copeau dont l'épaisseur radiale est d'environ 25 microns lorsque l'excentricité est d'environ microns Pour la même excentricité, un dégagement radial d'une dent sur deux double la charge radiale du copeau in- terne et le dégagement de deux dents sur trois triple la charge radiale du copeau interne En pratique, au point de- vue de l'usinage d'une fraise sur une machine de production, il est plus commode de dégager radialement les extrémités internes de dents régulièrement espacées sur toute la périphé- rie de la fraise plutôt que de déterminer quelle est la moitié des dents les plus larges et de dégager celles de ces dents larges qui sont choisies. On constate que, lorsque la fraise est utilisée sans liquide de refroidissement, les extrémités radialement internes des dents relativement larges au moins qui découpent la surface périphérique externe du noyau central doivent être dégagées radialement Juste en arrière des extrémités internes des bords de coupe de ces dents comme décrit dans la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique NO 303 917, déposée jle 31 septembre 1981 par E D Hougen Plus précisément, comme représenté sur la figure 12, ces dents doivent être dégagées radialement vers l'extérieur comme indiqué par la référence 38 afin qu'elles laissent une marge étroite 40 disposée cir- conférentiellement en arrière de l'extrémité interne du bord interne 24 de coupe L'étendue circonférentielle des marges 40 est comprise entre 250 microns et 1,5 mm et elle est de préférence de l'ordre de 380 microns La partie dégagée 38 doit être disposée vers l'arrière dans le passage suivant 28 et elle doit avoir une hauteur égale au moins à la hauteur des passages 28. On constate aussi que toute tendance de la fraise à former un trou surdimensionné peut être réduite au minimum par usinage des bords internes 24 de coupe avec un angle positif de dépouille latérale par rapport à la périphérie externe du noyau central et des bords externes 26 de coupe avec un angle négatif ou nul de dépouille latérale par rap- port à la paroi latérale du trou découpé Lorsque ces bords sont ainsi usinés, l'aptitude des bords de coupe internes plus larges à découper un copeau mince à la périphérie du noyau est améliorée et, simultanément, la tendance des extrémités externes des bords externes 26 de coupe à découper radialement vers l'extérieur dans la paroi latérale du 1 rou est minimale Sur la figure 12, les bords externes 26 de coupe sont représentés avec un angle négatif de dépouille latérale et les bords internes 24 de coupe sont représentés avec un angle positif de dépouille latérale. 1 1 2523011 REVENDICATIONS 1 Fraise à aléser selon-la revendication 1 du brevet principal, la fraise ayant une tige ( 12) destinée à être maintenue dans un support afin qu'elle tourne autou-r de l'axe central (A 1) de la tige, celle-ci ayant un corps ( 14) en forme de coupelle inversée, monté à son extrémité inférieure, le corps ayant une paroi latérale annulaire ( 18) ayant plusieurs dents de coupe ( 20 a-20 f) disposées circulairement et espacées circonférentiellement autour de 1 l'extrémité inférieure du corps, si bien que, lorsque la fraise tourne et avance dans une pièce, les dents ( 20 a-20 f) découpent une gorge annulaire disposée autour d'un noyau central ( 32) placé dans le trou de la paroi latérale ( 18) de la fraise, la périphérie externe de la tige ( 12) et le cercle délimité par la périphérie externe des dents étant concentri- aues à l'axe avec une grande précision, et le cercle délimi- té par la périphérie interne des dents étant concentrique avec une grande précision à un axe parallèle à l'axe cen- tral mais décalé par rapport à cet axe d'une faible distance prédéterminée en direction radiale, si bien que les dents de la moitié environ de la périphérie de la paroi latérale ( 18) sont progressivement plus larges que les dents restantes autour de l'autre moitié de la périphérie de la paroi latérale, ladite fraise étant caractérisée en ce que le second axe (A 2) est décalé radialement par rapport à l'axe central (A 1) d'une quantité telle que l'épaisseur ra- diale des copeaux découpés à la surface périphérique du noyau central ( 32) par les bords radialement internes des dents les plus larges est d'au moins 25 microns. se O 2 Fraise selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits axes sont radialement espacés de manière que l'épaisseur radiale des copeaux découpés par les dents les plus larges est donnée par l'équation t 2 e dans la- quelle t représente l'épaisseur radiale du copeau, N le nombre de dents de la fraise et e la valeur du décalage. 3 Fraise selon la revendication 1, caractéri- sée en ce que les extrémités radialement internes des dents les plus larges au moins qui découpent les copeaux de la surface périphérique du noyau central sont dégagées radiale- ment afin qu'elles forment une marge étroite disposée cir- conférentiellement vers l'arrière à partir des extrémités internes de leurs bords de coupe. 4 Fraise selon la revendication 1, caractéri- sée en ce que les extrémités radialement internes des bords de coupe de certaines des dents les plus larges sont déga- gésradialement d'une quantité suffisante pour qu'elles ne découpent pas des copeaux à la périphérie externe du noyau central ( 32. Fraise selon la revendication 1, caractéri- sée en ce que les parties d'extrémité radialement internes- des bords de coupe ( 24) des dents les plus larges ont un angle positif de dépouille latérale, et les parties d'extré- mités radialement externes des bords de coupe ( 26) des dents ont un angle nul ou négatif de dépouille latérale.