Brevet FR2548060A1 — publié le 19850104

L'invention se rapporte aux machines-outils destinées à usiner des pièces selon un profil de surface non uniforme qui exige que l'outil exécute des mouvements d'usinage au cours d'un tour de la rotation relati5 ve entre la pièce et l'outil, et du type qui comprend un dispositif de commande destiné à produire, à partir de données qui lui sont transmises, un signal de sortie électrique qui est fonction du profil de surface non uniforme spécifié de la pièce usinée, un outil et un action10 neur d'outil servant à déplacer l'outil en fonction dudit signal de sortie. Dans une machine-outil de ce type qui est déjà connue, l'outil est monté sur un porte-outil qui est luimeme supporté par un chariot mis en mouvement par un mo15 teur électrique par l'intermédiaire d'une vis-mère Ces machines-outils sont capables d'appliquer une large gamme de forces de coupe à une large variété de pièces. Toutefois, un inconvénient de ces machines-outils classiques consiste en ce que l'inertie du chariot 20 et la construction de la transmission par laquelle la force motrice est transmise du moteur au chariot limite sévèrement la vitesse à laquelle une pièce mise en rotation peut être usinée lorsque la position de l'outil doit être modifiée pendant l'usinage Ceci résulte du 25 fait que, lorsque la vitesse de rotation de la pièce croit et/ou lorsque la vitesse du mouvement de l'outil croît, on finit par atteindre une vitesse à laquelle le chariot ne peut plus réagir suffisamment rapidement aux signaux de positionnement, de sorte que l'outil ne 30 se trouve pas dans la position spécifiée ou moment spécifié et que le profil voulu n'est pas usiné Ceci est particulièrement vrai lorsque la position de l'outil doit être modifiée par pas successifs au cours d'un même tour de la pièce ou entre deux tours successifs de cette piè35 ce. En conséquence, l'invention est caractérisée en ce que ledit actionneur d'outil comprend un transducteur connecté au dispositif de commande pour convertir directement le signal de sortie électrique en mouvements linéaires correspondants, l'outil étant relié directement 5 au transducteur pour décrire un mouvement linéaire et, de cette façon, usiner la pièce selon le profil de surface non uniforme spécifié. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la descrip10 tion qui va suivre, d'un exemple de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels, la figure 1 est un diagramme schématique de la première forme de réalisation de la machine-outil; la figure 2 est une vue schématique d'une va15 riante de montage pour un outil de la machine-outil de la figure 1, relativement à la pièce; la figure 3 est un diagramme schématique de la deuxième forme de réalisation de la machine-outil; la figure 4 est une vue en perspective d'une 20 première forme de réalisation du transducteur destiné à être utilisé avec la machine-outil de la figure 3, le transducteur se présentant sous la forme dlun moteur linéaire à courant continu; la figure 5 est une coupe du dispositif posi25 tionneur d'outil approprié pour être utilisé avec le transducteur de la figure 4; et la figure 6 est une vue en perspective d'une deuxième forme de réalisation d'un moteur linéaire à courant continu destiné à être utilisé comme transducteur 30 dans la machine-outil de la figure 1. Comme on peut le voir en se reportant tout d'abord aux figures 1 et 2, la machine-outil comprend un générateur de fréquence 10 et un modulateur de fréquence 11 qui reçoit une entrée d'un dispositif de commande 12. 35 Le signal produit par le modulateur de fréquence 11 est transmis à un transducteur à ultrasons 13 réalisé sous la forme d'un cristal ou de plusieurs cristaux piézoélectrique(s) et dans lequel le signal est converti en vibrations ultrasonores linéaires ayant une fréquence liée à la fréquence naturelle du cristal ou des cristaux 5 et une amplitude qui dépend de la puissance du signal. Ces vibrations linéaires sont transmises à un porte-outil 14 qui porte un outil 15 destiné à usiner une pièce tournante 16 entraînée en rotation au moyen d'un entraînement 21 Le porte-outil 14 est relié à un entraînement 10 22 qui déplace le porte-outil 14 dans une direction axiale le long de la pièce 16 à une vitesse constante prédéterminée. Toutefois, il sera évident que la pièce 16 pourrait être fixe pendant l'usinage et que l'outil 15 pour15 rait être entraîné en rotation autour de la pièce 16, sur une tête tournante. Un capteur angulaire 17 produit un signal proportionnel à la position angulaire de la pièce 16 pendant la rotation de cette pièce et un capteur axial 19 20 produit un signal proportionnel à la position axiale du porte-outil le long de l'axe de rotation de la pièce 16. Ces signaux sont transmis en réaction au dispositif de commande 12. Le générateur de fréquence 10 produit un signal 25 dont la fréquence peut être de 5 k Hz à 100 k Hz mais qui est de préférence d'une fréquence ultrasonore, par exemple, de 15 k Hz à 30 k Hz La puissance maximum du signal peut correspondre à une puissance ultrasonore d'environ 5 k W L'un des principaux effets de l'application de vi30 brations de cette fréquence au porte-outil consiste à accroître la capacité de coupe de l'outil La capacité de coupe (qui est proportionnelle à l'amplitude des vibrations ultrasonores et, par conséquent, à la profondeur de passe, les autres variables restant constantes) est 35 proportionnelle à la puissance du signal appliqué au transducteur à ultrasons Etant donné que ce signal est -d'une fréquence constante, ceci signifie en fait que la profondeur de passe est proportionnelle à l'amplitude du signal. Le dispositif de commande 12 est alimenté par 5 un dispositif d'entrée 23 en données relatives à un profil spécifié de la surface de la pièce 16 Le dispositif de commande produit un signal de sortie électrique continu dont l'amplitude est proportionnelle à un rayon spécifié de la pièce à un moment spécifié (c'est-à-dire à une 10 position angulaire spécifiée sur la circonférence de la pièce, et dans une position axiale spécifiée sur la longueur de la pièce) Dans la production de ce signal, on tient compte des signaux de réaction émis par les capteurs 17 et 18. Le signal de profil émis par le dispositif de commande 12 sert à moduler le signal à fréquence ultrasonore transmis au transducteur 13 De cette façon, l'amplitude instantanée du signal de fréquence ultrasonore est commandée de manière à être proportionnelle au rayon 20 spécifié de la pièce à cet instant de manière que l'amplitude du mouvement de l'outil soit fonction-de ce signal De cette façon, le profil de la pièce sera usiné en fonction du signal de profil. Il sera évident que le dispositif de commande 25 12 peut produire un signal modulateur dont l'amplitude varie au cours d'un tour de la pièce et/ou dont l'amplitude varie entre deux positions axiales successives de l'outil Lorsqu'il y a variation d'amplitude au cours d'un tour, cette variation peut être une variation symé30 trique dans chaque demi-cycle, ou différentes variations dans chaque demi-cycle ou, en fait, dans chaque quart de cycle, ou n'importe quelle autre variation spécifiée De cette façon, on peut produire une pièce usinée, telle qu'un piston ou une portée ou un segment de piston pour 35 moteur à combustion interne, qui présente une section elliptique ou une section partiellement circulaire et par- tiellement elliptique ou n'importe quel autre profil de section spécifié et qui est en outre ou en variante, bombée ou conique, ou à la fois bombée et conique sur sa longueur axiale. En outre, il est possible pour l'outil d'usiner une surface contenue dans un plan généralement perpendiculaire à l'axe de rotation de la pièce, pour former sur cette surface un profil dans lequel chaque point de ladite surface se trouve à une distance axiale spécifiée 10 d'un plan de référence. Il peut être prévu une série de cristaux piézoélectriques pour amplifier les vibrations et, en supplément ou en remplacement, il peut être prévu un guide d'ondes entre le cristal ou les cristaux piézo-électri15 que(s) et l'outil pour amplifier les vibrations. Bien que, dans la forme de réalisation représentée, le dispositif de commande 12 transmette le signal de profil au dispositif ultrasonore avant son application au transducteur 13, il va de soi que le dispositif 20 de commande 12 peut transmettre le signal de profil à un deuxième transducteur situé sur le porte-outil 14. Le porte-outil peut être réalisé de manière à présenter un poids et une inertie très faibles et il est couplé très directement au transducteur 13 De cette fa25 çon, il est possible de faire tourner la pièce à grande vitesse, par exemple jusqu'à 3000 tours/minute ou plus, tout en exécutant avec précision sur chaque tour un certain nombre de changements également précis de la position radiale de l'outil Par exemple, l'outil peut se dé30 placer à une fréquence pouvant atteindre 10 000 Hz avec une amplitude maximum de 0,1 mm Ceci permet d'obtenir des cadences de production exceptionnellement élevées tout en conservant la précision dimensionnelle En outre, on bénéficie des avantages généraux de l'usinage ul35 trasonore, lesquels comprennent la réduction de l'effort sur l'outil, en allongeant ainsi la longévité de l'outilr et l'amélioration de l'état de surface. Sur la figure 1, l'outil est représenté pressé contre la pièce dans une direction radiale Toutefois, comme on l'a représenté sur la figure 2, le porte-outil 5 peut être pressé contre la pièce dans une direction inclinée sur la direction radiale Ceci s'est révélé donner un meilleur angle de coupe qui demande moins de puissance pour la même profondeur de passe puisque les vibrations induites dans le plan de clivage situé en avant du 10 bec de l'outil réduisent considérablement la chaleur de frottement et le travail développé dans la formation des copeaux. Il va de soi que le porte-outil 14 sera monté pour se déplacer indépendamment du dispositif ultrasono15 re décrit plus haut Ce montage permettra au porte-outil 14 de prendre une position de départ et peut également être utilisé pour le réglage approché de la position de l'outil pendant l'usinage. Bien que l'application du signal ultrasonore ap20 porte les avantages mentionnés plus haut, la présence de ce signal n'est pas essentielle On se reportera maintenant à la figure 3, sur laquelle les éléments communs à la figure 3 et aux figures 1 et 2 portent les mêmes numéros de référence et ne sont pas décrits en détail Dans 25 cette forme de réalisation, le dispositif de commande 12 produit le signal de sortie variable de la façon décrite en regard des figures 1 et 2 Ce signal est appliqué directement à un transducteur piézo-électrique 20 qui produit un mouvement linéaire fonction du signal de sortie. 30 Ce mouvement est transmis à l'outil 15 de manière à obliger l'outil 15 à se déplacer en fonction du signal de sortie. Il sera évident que le transducteur piézo- électrique 20 peut être remplacé par n'importe quel autre 35 transducteur capable de transformer le signal de sortie électrique en mouvements mécaniques correspondants très rapides de l'outil pour permettre l'usinage de pièces de forme à grande vitesse Deux formes de réalisation d'un exemple d'une telle variante de transducteur sont représentées sur les figures 4 à 6. On se reportera tout d'abord à la figure 4 Le premier transducteur est un moteur linéaire à courant continu comprenant un noyau fixe 25, présentant la forme générale d'un U, les branches du U présentant la forme de parties de cylindre centrées autour d'un axe commun. 10 Des bobinages de stators 26 sont enroulés sur chacune de ces branches Un aimant permanent mobile 28 du type barreau aimanté est disposé entre les branches en forme de parties de cylindre du U et coaxialement à ces branches. Un prolongement 29 de cet aimant 28 est supporté par une 15 portée qui peut être constituée par une paire de diaphragmes 30 ou qui peut être un palier magnétique ou un palier pneumatique Un outil 31 est monté à l'extrémité du prolongement 29 qui est à l'opposé des bobinages 26 du stator. Cet ensemble moteur linéaire à courant continu est enfermé dans un carter 32 qui est monté sur un chariot porte-outil 33 lequel se déplace sous l'action d'une vis-mère 34 et d'un moteur (non représenté) Le moteur linéaire à courant continu est monté de manière que 25 l'aimant permanent mobile 28 s'étende dans une direction perpendiculaire à l'axe de rotation 34 d'une pièce 35, qui est ici représentée sous la forme d'un piston pour moteur à combustion interne Le chariot 33 est agencé pour pouvoir se déplacer dans une direction parallèle à 30 l'axe de rotation 34 de la pièce En utilisation, les bobinages de stator sont connectés au dispositif de commande représenté sur la figure 3, cependant qu'une réaction est fournie par des capteurs du genre représenté sur la figure 3 La pièce 35 est entraînée en rotation et la 35 vis-mère 34 est mise en rotation pour déplacer l'outil 31 à une vitesse constante dans une direction axiale le long de la surface de la pièce 35 Les signaux transmis du dispositif de commande aux bobinages 26 du stator obligent l'aimant permanent 28 à se déplacer dans la portée pour prendre une position qui correspond au signal 5 appliqué, de sorte que l'outil 31 prend une position radiale instantanée spécifiée pour usiner le profil spécifié sur la pièce. La faible inertie, la grande accélération et la grande force d'un tel moteur linéaire à courant continu 10 permettent à ce moteur d'usiner des pièces à une vitesse élevée alors la position de l'outil varie de nombreuses fois au cours d'un même tour de la pièce. Les diaphragmes 30 forment un dispositif de positionnement de l'outil qui tend à ramener l'outil 31 à 15 une position de référence en l'absence de signal de positionnement Une forme d'un tel dispositif est représentée avec plus de détails sur la figure 5 Le dispositif comprend un carter cylindrique 45 muni de brides de serrage d'extrémités 46 qui serrent les périphéries exté20 rieures de diaphragmes en acier 30 respectifs, de manière que les diaphragmes 30 se trouvent dans des plans respectifs normaux à l'axe du carter Un porte-outil constitué par une tige 47 de forme allongée est relié aux diaphragmes 30 et est agencée de manière que son axe 48 25 soit confondu avec l'axe du carter 45 Une extrémité du porte-outil 47 est munie d'une monture d'outil 49 tandis que l'autre extrémité du porte-outil peut être reliée à l'aimant permanent mobile 28. En variante, il peut être prévu un moteur liné30 aire à l'intérieur du carter 45, entre les diaphragmes Ce moteur comprend un stator 50 fixé au carter et un curseur 51 monté sur le porte-outil 47. Le dispositif de positionnement de l'outil ne doit pas nécessairement être mis en mouvement par un mo35 teur linéaire 18, 19 Par exemple, le stator 50 pourrait être remplacé par un solénoide, le porte-outil 47 se com- portant comme une armature dont la position axiale dépend du signal appliqué au solénoïde Il peut y avoir plus de deux diaphragmes 30; il peut être prévu trois, quatre ou plus de quatre diaphragmes. Il va de soi qu'aucun des efforts exercés sur l'outil, qui peuvent varier de 5 à 25 kg, n'est supporté par le moteur linéaire, tous ces efforts sont absorbés par les diaphragmes 30 Ceci signifie que le moteur linéaire n'a pas à être suffisamment puissant pour amortir 10 les oscillations indésirables du porte-outil 47 pendant son mouvement Ces oscillations sont traitées par les diaphragmes 30 De cette façon, l'inertie de l'aimant permanent 28 ou du curseur 51 peut être maintenue à un minimum, ce qui accroit la vitesse de la réponse. En outre, il va de soi qu'étant donné que la force qui déplace le porteoutil 47 est exercée par voie magnétique, il ne s'exerce pas entre le porte-outil 47 et son entraînement de forces de frottement qui tendraient à ralentir la réponse de l'actionneur de l'outil. 20 U Jne variante de réalisation du transducteur à moteur linéaire est représentée sur la figure 6 Dans cette forme de réalisation, un moteur linéaire à courant continu comprend un noyau 36 fixe présentant la forme générale d'un U et des bobinages de stator 37 enroulés sur 25 chaque branche du U Un élément mobile 38 à aimant permanent, de forme plate, s'étend entre les branches du noyau en forme de U et au travers de la base du U Cet élément 38 est supporté & chacune de ses extrémités par une série de plaques flexibles 39 montées sur une base 30 40 et qui sont contenues dans des plans perpendiculaires à la longueur de l'élément 38, de sorte que l'élément 38 peut décrire un mouvement limité dans la direction de sa longueur et qu'il est soumis à une force de rappel exercée par les plaques 39 qui tendent à ramener l'élément 35 38 à une position de référence Un porte- outil 41 est monté à une première extrémité de l'aimant permanent 38 et tient un outil 42 Une manchette souple 43 s'étend autour et au-dessus du moteur linéaire pour l'abriter de la poussière et des copeaux de métal. En utilisation, le moteur linéaire à courant 5 continu de la figure 6 est monté sur un coulisseau de la même façon que le moteur linéaire de la figure 4 Les bobinages 37 du stator sont connectés au dispositif de commande de la figure 3 et l'outil est commandé pour usiner une pièce (non représentée) de la même façon que l'outil 10 de la forme de réalisation de la figure 4. Bien entendu, diverses modifications pourront être apportéees par l'homme de l'art au dispositif qui vient d'être décrit uniquement à titre d'exemple non limitatif, sans pour cela sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS R E V E N D I C A T I O N S i Machine-outil destinée à usiner une pièce selon un profil de surface non uniforme qui exige que l'outil décrive des mouvements d'usinage au cours d'un tour de la rotation relative entre la pièce et l'outil, 5 et du type'qui comprend un dispositif de commande destiné à produire à partir de données qui lui sont transmises un signal de sortie électrique qui est fonction du profil de surface non uniforme spécifié de la pièce à usiner, un outil et un actionneur d'outil servant à dé10 placer l'outil en fonction dudit signal de sortie, caractérisé en ce que ledit actionneur d'outil comprend un transducteur ( 13; 20-; 26, 28; 50, 51) connecté au dispositif de commande pour convertir directement le signal de sortie électrique en mouvement linéaire correspon15 dant, l'outil ( 15; 31 42) étant relié directement au transducteur pour être animé d'un mouvement linéaire par ce transducteur afin d'usiner la pièce le profil de surface non uniforme spécifié. 2 Machine-outil selon la revendication 1, ca20 ractérisée en ce qu'il est prévu une source f( 10) émettant un signal oscillant ultrasonore qui est appliqué à l'outil ( 15) pour faire vibrer l'outil pendant l'usinage. 3 Machine-outil selon la revendication 2, ca25 ractéri sée en ce que le signal oscillant ultrasonore est appliqué à un transducteur à ultrasons ( 13; 20) dont la sortie fait osciller l'outil. 4 Machine-outil selon la revendication 3, caractérisée en ce que le transducteur A ultrasons ( 13) 30 constitue également le transducteur qui est connecté à la sortie du dispositif de commande ( 12), le signal de sortie électrique émis par le dispositif de commande modulant les vibrations ultrasonores de l'outil. Machine-outil selon la revendication 1, ca- ractérisée en ce que le transducteur est un transducteur piézo-électrique ( 20) qui reçoit le signal de sortie électrique et qui convertit ce signal en un mouvement mécanique appliqué à l'outil ( 15). 6 Machine-outil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le transducteur est un transducteur électromagnétique ( 26, 28; 30, 38; 50, 51) dans lequel la position linéaire d'un élément ( 28; 38; 57) varie en fonction du signal de sortie électrique. 7 Machine-outil selon la revendication 6, caractérisée en ce que le transducteur ( 26, 28; 37, 38; 50, 51) est constitué par un moteur linéaire à courant continu dans lequel la position linéaire d'un élément mobile comprenant un aimant permanent ( 28; 38; 51) est 15 déterminée par un champ magnétique qui est produit dans des bobinages de stator ( 26; 37; 50) du moteur linéaire par le signal de sortie électrique émis par le dispositif de commande. 8 Machine-outil selon l'une quelconque des 20 revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu'il est prévu des moyens de positionnement de l'outil ( 30; 39) servant à exercer une force sur l'outil ( 31; 42) et qui tendent à maintenir l'outil ( 31; 42) dans une position de référence, l'outil ( 31; 42) passant de ladite posi25 tion de référence aux positions spécifiées de l'outil pour usiner le profil de surface non uniforme 9 Machine-outil selon la revendication 8, caractérisée en ce que l'outil peut se déplacer conjointement avec un élément allongé ( 29), les moyens de posi30 tionnement de l'outil comprenant deux diaphragmes ( 30) situés dans des plans espacés respectifs perpendiculaires à l'axe de l'élément allongé, et qui sont reliés à l'élément allongé de manière que l'axe dudit élément allongé soit confondu avec les axes des diaphragmes. 10 Machine-outil selon la revendication 8, caractérisée en ce que les moyens de positionnement de l'outil comprennent au moins un palier pneumatique. 11 Machine-outil selon la revendication 8, caractérisée en ce que l'outil ( 40) peut se déplacer conjointement & un élément ( 38) de forme allongée, les 5 moyens de positionnement de l'outil comprenant une pluralité de plaques flexibles ( 39) contenues dans des plans respectifs perpendiculaires à la longueur de l'élément allongé, les plaques étant montées entre l'élément allongé et une embase ( 40).