Brevet FR2534512A1 — publié le 19840420

Procédé et dispositif de finition d'un contour par abrasiov, et vibration, La présente invention concerne la finition par abrasion et notamment un procédé et un dispositif améliorés pour finir par abrasion la surface d'une pièce de forme avec un outil vibrant axialement au moyen de grains abrasifs. On connaît dans la technique un procédé abrasif dans lequel un outil vibrant axialement est amené en contact sous pression avec la surface d'une pièce en présence de grains abrasifs Les grains peuvent faire partie de l'outil en y étant fixés, ou amenés de toute autre façon en suspension dans un fluide dans l'interface de polissage L'outil axial vibre longitudinalement à une fréquence se trouvant de façon caractéristique dans la zone des ultrasons pour pro- duire des forces d'accélération élevées qui entraînent les grains abrasifs, lesquels viennent heurter la surface de la pièce et ont sur elle une action d'abrasion accélérée. Cette technique a été jusqu'ici employée principalement à des fins de formage, lorsqu'on doit enlever une'quantité notable de matière pour dégrossir des ébauches, dans des matériaux tels que des carbures, des céramiques et du verre qui sont couramment fragiles. Lorsqu'on essaie d'appliquer le processus d'abrasion décrit ci-dessus à la finition de précision d'une pièce de forme ayant un contour surfacique complexe, comme on en rencontre dans le domaine de fabrication des matrices ou des moules, et ce en automatisant le processus, on rencontre des diffi- cultés en ce qui concerne la précision et la qualité de finition de la surface traitée ainsi qu'en ce qui concerne la vitesse de finition pouvant être obtenue par ce procédé. Tout d'abord, le fini de surface ainsi obtenu est relative- ment mauvais En second lieu, il est nécessaire de déplacer la portion active de l'outil par rapport à la pièce de façon précise selon un trajet donné correspondant au contour de forme dans la pièce, tout en maintenant des grains abrasifs à l'interface entre l'outil de polissage et la pièce. Dans ce-but, on peut employer une commande numérique pour le trajet ou une commande par copiage d'un gabarit pour faire avancer l'outil le long du trajet programmé à une vitesse d'avance nécessaire pour maintenir les grains abrasifs dans l'interface entre-l'outil de polissage et la pièce Lors de l'établissement de la vitesse d'avance, pour autant que le contour dégrossi à finir est caractérisé par des irrégulari- tés de surface et que, de ce fait, la petite quantité de matière à enlever en finition varie d'une position à l'autre sur le contour, il est nécessaire de fixer la vitesse à une valeur minimale en considérant une portion nécessitant la quantité maximale d'enlèvement de matière De ce fait, l'opé- ration est inévitablement longue. En outre, pour autant qu'elle est inévitable, l'usure de l'outil doit être prise en compte pour déterminer le trajet réel de l'avance de l'outil Sans détermination de l'infor- mation précise relative à l'usure de l'outil, on ne peut Jamais obtenir-une-f- car on ne peut obtenir un déplacement d'outil par rapport à un contour donné nécessaire pour compenser l'usure de l'outil. Toutefois, dans les procédés décrits, l'outil s'use inévita- blement ou présente des irrégularités sur sa surface périphé- rique et en fait de façon extrêmement compliquée qu'il est pratiquement impossible de déterminer pour autant que les détails précis des irrégularités surfaciques de la pièce de forme et de ce fait les quantités précises d'enlèvement localisé de matière nécessaires sont pratiquement impossibles à définir, ce qui est encore compliqué lorsqu'on tient compte des détails précis de complexité du contour de forme à finir. Ainsi, si un trajet de l'avance de l'outil est défini de façon appropriée en fonction du contour surfacique à finir d'une pièce de forme, il est presque impossible de prévoir un trajet correctement modifié pour l'avance réelle de l'ou- til par rapport à la pièce qui tienoe compte de façon précise de l'usure de l'outil. En outre, bien qu'il puisse être souhaitable de maintenir une pression axiale ou latérale constante pour appliquer l'outil contre la surface à finir, l'action d'abrasion change de façon inévitable du fait des changements importants ou irré- guliers dans la zone de contact efficace d'abrasion de sorte que la précision et la qualité du fini du contour surfacique poli sont loin de donner satisfaction. En conséquence, la présente invention vise à-procurer un nouveau procédé amélioré pour polir par abrasion une surface d'une pièce de forme avec un outil axial au moyen de grains abrasifs, qui permet de surmonter les difficultés précédentes et elle vise à procurer un nouveau dispositif perfectionné pour mettre en oeuvre le procédé décrit. Sous un premier aspect, la'présente invention pro- cure un procédé pour finir par abrasion la surface d'une pièce de forme avec un outil axial vibrant au moyen de grains abrasifs, ce procédé comportant les stades suivants a) on fait tourner l'outil axial autour d'un axe longitudi- nal de cet outil tout en le faisant vibrer dans la direction de cet axe pour procurer une surface d'outil active tournante vibrant axialement; b) on amène la surface d'outil active tournante vibrant axialement en coopération sous pression avec une portion de la surface de forme de la pièce en pré- sence de grains abrasifs disposés entre elles; c) on déplace l'un par rapport à l'autre l'outil et la pièce d'un mouve- ment général de translation transversal à cet axe longitu- dinal de façon que la surface d'outil active tournante vi- brant axialement se déplace en partant de cette portion pour balayer successivement toute une zone de la surface de forme tout en maintenant avec la surface la coopération abra- sive sous pression; d) on détecte instantanément une charge rencontrée par la surface d'outil active tournante vibrant axialement dans la coopération abrasive sous pression avec la surface de forme pour produire un signal de sortie repré- sentant un changement instantané dans cette charge; et e),en réponse-à ce signal de sortie,on commande le déplacement de translation relatif entre l'outil et la pièce de façon à maintenir pratiquement constante la charge exercée sur la surface d'outil active tournante vibrant axialement De façon spécifique, la charge est une résistance à la rotation et à la vibration s'exerçant sur la surface d'outil active par la surface de forme en coopération abrasive sous pression avec elle et, au stade e) on commande la vitesse du déplacement relatif en fonction du signal de sortie représentant un changement instantané dans cette résistance. De préférence, dans le stade d), un trajet programmé corres- pondant au contour fini final de la surface de forme est établi pour le déplacement de cet axe de l'outil par rapport à la pièce Au stade d), il est dérivé de ce signal de sortie un-autre signal instantané représentant une usure de cette surface d'outil active et, au stade e), le trajet programmé est modifié en fonction de cet autre signal de sortie de façon à maintenir pratiquement constante la résis- tance à la rotation et à la vibration rencontrée par la sur- face d'outil active - Sous un second aspect, l'invention procure également un dis- positif pour finir par abrasion la surface d'une pièce de forme avec un outil axial au moyen de grains abrasifs, dans lequel l'outil axial vibre dans la direction d'un axe lon- gitudinal de cet outil sous l'action -de premiers moyens d'en- trainement, lequel dispositif comporte en outre: des deuxiè- mes moyens d'entraînement pour faire tourner l'outil vibrant autour de cet axe pour produire une surface d'outil active tournante vibrant axialement; des moyens pour positionner l'un par rapport à l'autre l'outil et la pièce de façon à amener la surface d'outil active tournantevibrant axialement en coopération sous pression avec une portion de la surface- de forme de la pièce en présence de grains abrasifs disposés entre elles, et pour déplacer l'outil et la pièce l'un par rapport à l'autre d'un mouvement général de translation transversal à cet axe longitudinal de sorte que la surface d'outil active tournante vibrant axialement se déplace en partant de cette portion pour balayer successivement toute une zone de la surface de forme, tout en maintenant sa coopé- ration abrasive sous pression avec elle; dis moyens pour détecter instantanément une charge rencontrée par la surface d'outil active tournante-vibrant axialement dans la coopé- ration abrasive sous pression avec la surface de forme pour émettre un signal de sortie représentant un changement instan- tané dans cette charge; et des moyens sensibles au signal de sortie pour commander le déplacement en translation relatif entre l'outil et la pièce de façon à maintenir pratiquement constante la charge exercée sur la surface d'outil active tournante vibrant axialement. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la descrip- tion détaillée, donnée ci-après à titre d'exemple, de réali- sations préférées, en liaison avec le dessin joint,sur lequel: la figure 1 est une vue en plan montrant schématiquement un outil axial dans le processus de finition par abrasion d'un contour dégrossi dans une pièce; la figure 2 est une vue en élévation latérale ou frontale, partiellement en coupe illustrant schématiquement une portion d'un dispositif de finition par abrasion dans lequel est incorporée la présente invention; et la figure 3 est une vue latérale ou frontale illustrant sché- matiquement un dispositif similaire à celui de la figure 2, dans le processus de finition d'un contour différent dégrossi dans la pièce. La figure 1 montre un contour de surface S dégrossi dans une pièce W On souhaite finir par abrasion le contour S avec un outil cylindrique vibrant T pour obtenir le contour fini désiré So Dans ce but, on voit qu'il est nécessaire d'enle- ver avec précision un petit volume de matière V subsistant dans la portion hachurée L'outil T vibre dans la direction de son axe longitudinal O et, comme on le voit, perpendicu- lairement à la feuille de dessin Des grains abrasifs sont disposés dans la région de l'interface entre la pièce W et l'outil vibrant T maintenu latéralement en contact sous pression avec la pièce, tandis que l'outil T et la pièce W sont déplacés l'un par rapport à l'autre en translation selon un trajet L, qui est espacé de la distance D ou du rayon de l'outil T du contour final So Le trajet L corres- pond ainsi fondamentalement au contour final So, mais, pour sa détermination, on doit prendre en compte l'usure progres- sive par abrasion de l'outil T Cependant, dans l'agencement représenté et décrit, l'outil T s'use du fait qu'il est repoussé sur sa droite de sorte que son profil devient non circulaire En outre, du fait des irrégularités intrinsèques du contour dégrossi S, l'outil T doit rencontrer une surface variable A et, de ce fait, subit une charge qui varie d'une position à la suivante, pour enlever la matière V résiduelle Il en résulte qu'il est pratiquement impossible de prévoir de façon précise la distance instantanée D et de ce fait le trajet L Lorsque la surface de contact A croit, la pression effective d'abrasion diminue et la quan- tité effective de grains abrasifs devient insuffisante Si on 2 2534512 laisse alors avancer l'outil T, il est possible qu'il sur- vienne un changement soudain imprévisible dans la charge et il se crée inévitablement un écart de finition important. La présente invention vise à résoudre ces problèmes. En se reportant aux figures 2 et 3, on voit une pièce 1 finie par abrasion par un outil axial vibrant 2 Dans la dis- position de la figure 2, l'outil 2 est cylindrique et est pressé latéralement contre un contour intérieur la dégrossi dans la pièce 1 Dans la disposition de la figure 3, l'outil 2 a une portion active profilée en forme de coupe 2 at qui coopère avec un contour tridimensionnel la également dégrossi dans la pièce 1 Il est essentiel que le profil de l'outil soit symétrique autour de son axe, comme on le voit Des grains abrasifs 3, comme on le voit sur la figure 2, peuvent être introduits de façon continue dans l'interface entre l'outil et la pièce en suspension dans un fluide 3 ', par exemple par une poulie, ce fluide étant amené par un ajutage approprié 4 En variante, les grains abrasifs 3 peuvent faire partie de l'outil 2 en étant préalablement fixés sur cet outil. L'outil 2 est mis en vibration longitudinale par un transduc- teur électromécanique 5 qui lui est fixé par l'intermédiaire d'un adaptateur 6 à cornet amplificateur (figure 2) Un enrou- lement 8 est enroule autour du transducteur 5 et est excité par une source de courant haute fréquence 7 (figure 3) pour impartir au transducteur une oscillation mécanique d'une fréquence, par exemple comprise entre 10 et 100 k Hz, de préférence entre 20 et 50 k Hz; après amplification par l'adap- tateur à cornet 6, cette oscillation mécanique est transmise pour faire Vibrer verticalement l'outil 2 Comme on le voit sur la figure 2,le transducteur 5 tourillonne dans des paliers 9 et 10 de sorte que lui-même, l'adaptateur à cornet 6 et l'outil 2 fixés ensemble peuvent vibrer libre- ment verticalement comme un corps unique Le palier inférieur fait partie d'un carter inférieur 11 dans lequel est logé l'adaptateur à cornet 6 et auquel est fixé un bloc alésé 12 à travers lequel l'outil 2 est disposé et s'en projette Le palier supérieur 9 fait partie d'un carter 13 prévu dans une portion terminale d'un bras horizontal 14 qui est monté de façon à se déplacer verticalement sur une colonne de machine (non représentée) s'élevant verticalement sur un soçlede machine (non représenté) Le transducteur cylindrique 5 présente à sa partie terminale supérieure une collerette 15 et une broche 16, toutes deux pouvant être considérées monobloc avec le transducteur 5 La collerette 15 repose sur le palier supérieur 9 par l'inter- médiaire d'un palier à billes 17 et une poulie 18 est fixée sur la broche 16 et est raccordée par une courroie de trans- mission 19 à une poulie 20, cette dernière étant fixée sur l'arbre de sortie 21 d'un moteur électrique 22 fixé sur le bras 14 et pouvant être excité par un circuit pilote de mo- teur 23 Un ressort de compression 24 est disposé entre une plaque de pression 25 et la poulie 18 sur la broche 16 de façon à repousser vers le bas la collerette 15, le transduc- teur 5, l'adaptateur à cornet 6 et l'outil 2 qui sont fixés ensemble, tout en leur permettant d'être entraînés en bloc en rotation par la sortie du moteur 22 Tous les élé- ments 15 à 25 sont logés à l'intérieur d'un capot 26 monté sur le carter 13 et le bras 14, et une vis de réglage à pression 27 est vissée dans le capot 26 pour régler la pression de rappel vers le bas exercée par le ressort 24 sur la collerette * 15 Ainsi, selon une caractéristique essentielle de l'invention, l'outil axial 2, qui est mis en vibration axiale par l'entraî- nement vibrant 5 à 8, est entraîné en rotation rapide, par exemple à une vitesse de 500 à 5000 tours par minute, par l'entraînement tournant 18 à 23 pour obtenir une surface d'outil active tournante et animée d'un mouvement alternatif 2 a en coopération sous pression avec la surface de forme la de la pièce 1 pour permettre que l'usure par abrasion de l'outil 2 ne soit pas localiséemais répartie uniformément sur sa périphérie. Selon une autre caractéristique essentielle de -l'invention, une charge, c'est-à-dire une résistance à la rotation et au mouvement alternatif, rencontrée par la surface d'outil active 2 a dans sa coopération àbrasive sous pression avec la surface de forme la de la pièce 1 est instantanément détectée. Comme on le voit sur la figure 3, la pièce 1 est montée sur une table de travail 28 qui est conçue sous forme de table à déplacementscroiséset qui est entratnée par deux moteurs 29 et 30 pour déplacer la pièce 1 dans un plan X-Y Le imoteur de l'axe des X 29 et le moteur de l'axe des Y 30 sont ali- mentés par des impulsions d'entraînement fournies par une commande numérique 31 ayant un générateur d'impulsions d'hor- loge associé 3 L Le générateur 32 fournit un train d'impulsions d'horloge qui sont réparties dans l'unité de commande numé- rique 31 en des impulsions d'entraînement selon l'axe des X et des impulsions d'entraînement selon l'axe des Y en fonction de données préalablement stockées pour un trajet de déplacement de la pièce 1 par rapport à l'outil 2 Le trajet est programmé à l'avance de façon à permettre à l'outil ayant un rayon initial donné de suivre de façon précise le contour surfacique de forme la tridimensionnelle- ment dans l'exemple de la figure 3-et bidimensionnellement dans l'exemple de la figure 2 La vitesse du déplacement relatif le long du trajet programmé est déterminée par la fréquence de sortie du générateur d'horloge 32, qui est ici variable. Afin de détecter instantanément la résistance à la rotation et au mouvement alternatif rencontrée par la surface d'outil active 2 a de l'outil 2, il est prévu un détecteur de couple 33 qui peut être disposé par rapport à l'outil 2 de façon à détecter les rotations comme on le voit sur la figure 2, ou par rapport à l'adaptateur 6 comme on le voit sur la figure 3 Le détecteur 33 est ici conçu pour détecter une compo- sante de rotation de la charge ou de la résistance et, de préférence, un autre détecteur 34 peut être prévu pour détec- ter une composante alternative de la charge ou de la résis- tance rencontrée par la surface d'outil active tournante et animée d'un mouvement alternatif 2 a Le dernier détecteur 34 peut comporter un anneau 34 a de perméabilité magnétique élevée, ajusté pour recevoir l'adaptateur 6 dans le carter 11 comme on le voit, ou l'outil 2 dans le bloc 12, et un enroulement 34 b excitable par une source de courant 34 c et ayant des bornes de détection de sortie 34 d raccordées à un circuit de servocommande 35 comme il va être décrit Ainsi, il se développe aux bornes 34 d un signal de sortie représen- tant un changementdans l'amplitude du mouvement alternatif de l'outil 2, lequel changement est provoqué par un change- ment correspondant dans la charge ou la résistance rencontrée par la surface d'outil active 2 a. Le détecteur de couple 33 peut comporter un codeur rotatif conventionnel 33 a du type magnétique fixé sur l'outil 2 ou sur l'adaptateur 6 et un enroulement de détection 33 b ayant des bornes de sortie 33 c raccordées à un circuit de traite- ment 33 d, lequel est à son tour raccordé au circuit de servo- commande 35 La fréquence des impulsions développées dans un train aux bornes de sortie 33 c est proportionnelle à la vitesse de rotation de l'outil 2 et est comparée à une fréquence de référence fixe préalablement fixée dans le cir- cuit de traitement 33 d pour fournir un signal de sortie représentant un changement dans la vitesse de rotation de l'outil 2, lequel signal est amené dans le circuit de servo- commande 35 L'arbre de sortie 21 peut également être équipé d'un codeur comme décrit précédemment pour fournir un signal de fréquence de référence avec lequel le signal de fréquence développé aux bornes 33 c peut être comparé Un tel codeur fournit un train d'impulsions et la fréquence de ces impul- sions représente la vitesse de rotation produite par le moteur 22 et transmise à l'outil 2 Ainsi, le circuit de traitement 33 d fournit un signal de sortie représentant un changement dans le couple ou la résistance en rotation de la charge rencontrée par la surface d'outil active tournante et animée d'un mouvement alternatif 2 a. Le circuit de servo-commande 35 répond à la sortie fournie par le détecteur de couple 33 et, de préférence, également à la sortie fournie par le détecteur d'amplitude du mouve- ment alternatif 34 pour fournir un signal de commande par sa sortie 35 a, qui est raccordée au générateur d'horloge 32 associé à la commande numérique 31 Le signal de commande ainsi fourni est appliqué au générateur d'horloge 32 pour modifier sa fréquence d'impulsionsde sortie et ainsi modifier la vitesse du déplacement en translation selon le trajet donné de la pièce par rapport à l'outil tournant et vibrant- 2 en coopération abrasive sous pression avec elle, de façon à maintenir pratiquement constante la charge ou résistance rencontrée par la surface de l'outil 2 a Ainsi, le taux d'enlèvement de la matière résiduelle V par surface unitaire de contact abrasif sous pression de la surface d'outil active avec le contour de forme est effectivement maintenu pratiquement constant en dépit des variations de la surface A de sorte qu'on peut obtenir une vitesse de finition maximale ou optimale (figure 1) En outre, le degré d'usure est effectivement rendu pratiquement constant sur toute la course de finition le long du contour de surface S. Ceci permet une prévision extrêmement précise du trajet optimal (L) à suivre par l'axe O de l'outil par rapport à la pièce W, et de ce-fait une précision de finition extrê- mement augmentée Etant donné une information précise du degré d'usure de l'outil, un trajet nominal programmé à titre d'essai sur la base du contour de finition désiré So et du rayon initial de l'outil 2 peut être aisément modifié pour obtenir le trajet réel à suivre par l'axe de l'outil O par rapport à la pièce W. Bien qu'un tel trajet modifié puisse être programmé à l'avance dans l'unité de commande numérique 31, il est également possible de modifier en cours de processus le trajet nominal Dans ce but, le circuit de commande 35 peut également être conçu pour dériver des signaux d'entrée entrant à travers les bornes 34 d et 33 e, un autre signal de sortie représentant-le degré d'usure de la surface d'outil active 2 a et pour le transmettre par sa deuxième borne de sortie 35 b à l'unité de commande numérique 31 pour permettre à cette dernière de modifier instantanément les données du trajet nominal programmé au préalable dans cette unité Le circuit de commande 35 peut en outre avoir des sorties additionnelles 35 c et 35 d pour envoyer des ordres au circuit pilote 23 du moteur 22 et au circuit d'entraînement 7 pour la vibration haute fréquence impartie à l'outil 2. Revendications. 1 Procédé pour finir par abrasion la surface d'une pièce de forme avec un outil axial vibran au moyen de grains abra- sifs, caractérisé en ce que a) on fait tourner l'outil axial autour d'un axe longitudinal de cèt outil tout en le faisant vibrer dans la direction de cet axe pour obtenir une surface d'outil active tournante et animée d'un mouvement alternatif; b) on amène la surface d'outil active tournante et animée d'un mouvement alternatif en coopération sous pression avec une port-ion de ladite surface de forme de la pièce en présence des grains abrasifs disposés entre elles; c) on déplace l'un par rapport à l'autre l'outil axial et la pièce d'un mouvement général de translation'transversal à cet axe longitudinal de sorte que la surface d'outil active tournante et animée d'un mouvement alternatif commence par cette portion et balaye-successivement toute une zone de la surface de forme, tout en maintenant avec elle sa coopé- ration abrasive sous pression; d) on détecte instantanément une charge rencontrée par cette surface d'outil active tournante et animée d'un mouve ment alternatif dans la coopération abrasive:sous pression pour fournir un signal de sortie représentant un changement instanantané dans cette charge; et e) en réponse à ce signal de sortieon commande le mouvement de translation relatif entre l'outil et la pièce de façon à maintenir pratiquement constante la charge exercée sur la surface d'outil active tournante et animée d'un mouvement alternatif. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'en outre on programme un trajet prédéterminé de déplacement de cet axe par rapport à la pièce pour le stade d), on dérive du signal de sortie un autre signal instantané représentant une usure de l'outil, et on modifie le trajet programmé pour obtenir le déplacement relatif réel entre cet axe et la pièce en fonction de cet autre signal de façon que la charge soit maintenue pratiquement constante 3 Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que cette charge est une résistance à la rotation et au mouvement alternatif rencontrés par la surface d'outil active, et en ce que, au stade e), la vitesse du déplacement de translation relatif est commandée de façon à maintenir pratiquement constante cette résistance. 4 Dispositif pour finir par abrasion la surface d'une pièce de forme avec un outil axial ( 2) au moyen de grains abrasifs ( 3), dans lequel l'outil axial est mis en vibration dans la direc- tion de son axe longitudinal par des premiers moyens d'entraî- nement ( 8), caractérisé en ce qu'il comporte des seconds moyens d'entraînement ( 18-22) pour faire tourner l'outil vibrant autour de cet axe pour obtenir une surface d'outil active tournante et animée d'un mouvement alternatif ( 2 a); des moyens pour positionner l'outil et la pièce l'un par rapport à l'autre pour amener cette surface d'outil active tournante et animée d'un mouvement alternatif en coopération sous pression avec une portion de la surface de forme de la pièce en Drésence de griine abrasifs aisnoses entra elles Ét p-ur Déplacer relativement l'outil et la pièce d'un mouve- ment général de translation transversal à cet axe longitu- dinal de sorte que la surface d'outil active tournante et animée d'un mouvement alternatif commence par cette portion et balaye successivement toute une surface de la surface de forme tout en maintenant sa coopération abrasive sous pression avec elle; des moyens pour détecter instantanément une charge rencontrée par la surface d'outil active tournante et animée d'un mouve- ment alternatif dans sa coopération abrasive sous pression avec la surface de forme pour fournir un signal de sortie représentant un changement instantané dans cette charge; et des moyens sensibles à ce signal de sortie pour commander le déplacement de translation relatif entre l'outil et la pièce de façon à maintenir pratiquement constante la charge exercée sur la surface d'outil active tournanteet animée d'un mouve- ment alternatif.