Brevet FR2539657A1 — publié le 19840727

La présente invention concerne le domaine de l'usinage des métaux par coupe et a notamment pour objet un élément tranchant pour outil de coupe rotatif. Il est particulièrement efficace d'utiliser la présente invention pour l'usinage des rouleaux d'une supercalandre pour impression sur papier dans les entrerises de l'industrie des pâtes et papiers. De plus, L'invention peut autre utilisée pour usiner des métaux et leurs alliages ainsi que des matériaux non métalliques. L'élément tranchant connu le plus proche, par son essence technique, de celui de l'invention revendiquée est l'élément tranchant d'outil de coupe rotatif décrit dans le livre "Méthodes avancées de coupe rotative des métaux" de E.G. Konovalov, V.A. Sidorenko et A.V. Sous (Editions "Nauka i Tekhnika", Minsk, 1972, page 193, figure 79 e). Cet élément tranchant connu est réalisé sous forme d'un anneau qui a une surface extérieure en forme de surface de corps de révolution et deux faces dont l'une fait office de base de positionnement, et dont la face opposée constitue l'arête tranchante. Lors de l'usinage mécanique à l'aide de l'élement tranchant en question, la force de coupe résultante (principalement sa composante radiale) engendre une déformation élastique radiale de l'élément tranchant, qui se propage de part et d'autre à partir de l'endroit de contact entre l'élément tranchant et la pièce à usiner. Du fait que la rigidité radiale de l'élément tranchant, qui dépend de l'épaisseur de l'anneau, est la même suivant tout son périmètre,les déformations élastiques se répartissent symétriquement par rapport à l'endroit de contact entre l'élément tranchant et la pièce et sont dirigées en opposition suivant le périmètre de l'anneau. On entend par "épaisseur" de l'anneau la différence entre ses diamètres extérieur et intérieur dans une même section transversale. Vu la rotation continue de l'élément tranchant pendant l'usinage et l'effort de coupe appliqué constamment, la déformation élastique de l'élément s'opère elle aussi d'une façon continue et donne naissance à des vibrations forcées (propres) de l'élément tranchantfqui sont dirigées elles aussi en sens contraires (en opposition) suivant le périmètre de l'anneau. Les vibrations forcées de l'élément tranchant sont d'une même fréquence à cause de la rigidité radiale égale de l'anneau, ce qui aboutit à la détérioration de l'élément tranchant par suite de la coincidence des fréquences desdites vibrations (c'est-à-dire par suite du phénomène de résonance).Pour éviter la détérioration d'un tel élément tranchant, on est obligé d'augmenter son épaisseur ce qui aboutit à un accroissement de la quantité de métal le constituant et à une augmentation de la consommation de matériau pour outils. On s'est donc proposé de mettre au point un élément tranchant dont la conception lui assurerait une durée de vie plus grande et une diminution de la quantité de métal utilisée. Ce problème est résolu du fait que l'élément tranchant d'outil de coupe rotatif, du type réalisé sous forme d'un anneau comprenant une surface latérale extérieure en forme de surface de révolution et des faces dont l'une fait office de base de positionnement et dont la face opposée forme une arête tranchante, est caractérisé, suivant l'invention, en ce que sa rigidité radiale est variable suivant son périmètre. Lors de l'usinage à l'aide de l'élément tranchant d'outil de coupe rotatif conforme à l'invention, présentant une rigidité radiale variable suivant son périmètre, la force de coupe résultante provoque aussi une déformation élastique radiale de l'outil de coupe rotatif, qui se propage de part et d'autre à partir de l'endroit de contact entre l'élément tranchant et la pièce à usiner. Vu la rigidité radiale irrégulière de l'élément tranchant, les déformations élastiques se répartissent suivant son périmètre en sens mutuellement contraire, mais cette fois d'une façon asymétrique par rapport à ltendroit de contact entre l'élément tranchant et la pièce, et donnent naissance à des vibrations forcées de l'élément tranchant, c'est-àdire de l'anneau, mais la fréquence de ces vibrations n'est pas la même.En se propageant les unes vers les autres suivant le périmètre de l'anneau, les vibrations s'affaiblissent mutuellement. Lors de l'usinage à l'aide de cet élément tranchant, la colncidence des fréquences (phénomène de résonance) des vibrations de ses parties déformables, qui s'accompage de la détérioration de l'élément tranchant, est exclue. Le fait d'annuler la résonance permet de prolonger la durée de service de l'élément tranchant pendant l'usinage et de diminuer la quantité de métal le constituant. Il peut être utile d'obtenir ladite rigidité radiale variable suivant le périmètre de l'anneau en lui donnant une épaisseur variable dont la valeur minimale amin est déterminée à l'aide de la formule D étant le diamètre extérieur de l'anneau, exprimé en mm. En augmentant ou en diminuant d'une manière appropriée l'épaissèur de l'anneau, on peut obtenir une augmentation ou une diminution correspondante de sa rigidité radiale. La relation précitée entre l'épaisseur minimale de l'anneau et le diamètre extérieur de l'élément tranchant permet de déterminer l'effort de coupe. Une épaisseur minimale de l'anneau plus petite que la valeur indiquée pourrait aboutir à la destruction de l'élément tranchant sous l'action de l'effort de coupe.D'autre part, une épaisseur de l'anneau supérieure à celle déterminée par les rapports indiqués entrainerait, en plus d'une augmentation de la consommation de matériau à outils et de la quantité de métal constituant l'anneau, une augmentation de la quantité de travail nécessaire pour les réaffûtages de l'élément tranchant sans contribuer à la prolongation de sa durée de vie. Il est avantageux,du point de vue technologique, d'obtenir ladite rigidité radiale variable suivant le périmètre de l'anneau en donnant à celui-ci une surface extérieure et une surface intérieure excentriques l'une par rapport à l'autre. Le fait de donner à 1'anneau une surface intérieure excentrique par rapport à la surface extérieure dans le sens de déplacement de l'excentricité permet d'obtenir la plus petite épaisseur de l'anneau. Inversement, l'épaisseur de l'anneau est la plus grande dans le sens opposé au déplacement de l'excentricité. Le passage de la plus petite épaisseur de l'anneau à son épaisseur la plus grande est uniformément progressif. Lors de l'usinage à l'aide d'un tel élément tranchant, la déformation élastique de l'anneau varie elle aussi uniformément.La déformation élastique a la valeur la plus grande à l'endroit de la rigidité la plus faible, et inversement. Cela fait naître des vibrations forcées (propres) de l'anneau qui sont de différentes fréquences, ce qui exclut la colncidence des fréquences forcées (propres) de l'anneau et accroît par conséquent la durée de vie de l'élément tranchant et permet de diminuer la quantité de métal le constituant. Avantageusement, la rigidité radiale variable suivant le périmètre de l'anneau peut être obtenue en donnant à sa surface intérieure la forme d'un ellipse. L'élément tranchant ainsi conçu présente deux zones de rigidité radiale minimale, qui sont disposées symétriquement l'une par rapport à l'autre dans le plan passant par le grand axe de l'ellipse. Les deux zones de rigidité radiale maximale sont elles aussi disposées symétriquement l'une par rapport à l'autre et sont contenues dans le plan passant par le petit axe de l'ellipse. Pendant l'usinage, au cours d'une révolution autour de son axe, la déformation maximale de l'élément tranchant a lieu dans ses deux zones de rigidité minimale , et la déformation minimale se produit dans ses deux zones de rigidité radiale maximale.Le temps de variation et d'atténuation mutuelle des vibrations forcées d'un tel élément tranchant par révolution diminue de moitié en comparaison d'un élément tranchant dont les surfaces extérieure et intérieure sont excentriques l'une par rapport à l'autre, c'est-à-dire d'un élément tranchant ayant une zone de rigidité maximale et une zone de rigidité minimale. Une telle conception de l'élément tranchant contribue à accrottre sa durée de vie. Lors de l'usinage, les vibrations forcées (propres) de l'anneau varient et s'atténuent mutuellement en valeur à chaque quart de tour de ce dernier. Le temps nécessaire à la variation et l'atténuation mutuelle des vibrations forcées d'un tel élément tranchant pendant une révolution autour de son axe diminue de moitié en comparaison de l'élément tranchant n'ayant qu'une zone de rigidité minimale et une zone de rigidité maximale. Il est avantageux d'utiliser l'élément tranchant ainsi conçu pour usiner des surfaces dont la surépaisseur est inégale. En outre, il s'est avéré avantageux de réaliser un rebord annulaire radial sur la surface intérieure de l'anneau, dans la zone de sa base. En effet, la-déformation élastique de l'élément tranchant dans le sens axial n'est pas uniforme à cause de sa rigidité radiale variable. Elle est minimale aux endroits de rigidité radiale maximale, et inversement. Etant donné que, lors de l'usinage, la déformation élastique de l'anneau sous l'action de l'effort axial de coupe, est dirigée de son arête tranchante vers sa base de position nement, c'est-à-dire le long de l'axe de l'anneau, ceci provoque, en cas de charges de choc, l'apparition de vibrations axiales forcées (propres) de l'anneau,dont la fréquence n'est pas uniforme suivant le périmètre de sa base de positionnement. C'est pourquoi l'effort axial qu'on applique pour fixer l'élément tranchant sur l'axe de l'outil de coupe n'est pas, lui non-plus, uniforme suivant le périmètre de sa base de positionnement.Pour réduire sensiblement ou annuler l'effet défavorable qu'exercent les vibrations axiales variables forcées (propres) de l'anneau sur sa base de positionnement, il est donc rationnel de réaliser le rebord annulaire radial précité sur la surface intérieure de l'anneau, dans la zone de sa base. L'épaisseur à l'endroit dudit rebord annulaire radial est plus grande que l'épaisseur de l'anneau et, de ce fait, sa rigidité radiale est elle aussi plus grande, Aussi la déformation élastique de l'anneau, due à l'effort axial de coupe, diminue-t-elle sensiblement dans la zone de sa base de positionnement, et par conséquent, les vibrations axiales forcées (propres) de l'anneau suivant son périmètre diminuent elles aussi considérablement. Ceci augmente la sûreté de fixation et la durée de vie de l'anneau. D'autre part, il s'est avéré rationnel que le rapport entre le diamètre intérieur d du rebord annulaire radial précité et le diamètre extérieur D de l'anneau soit choisi dans les limites de 0,2 à 0,8 d D = 0,2 à 0,8 et que la hauteur h dudit rebord annulaire radial soit telle que En effet, quand le rapport entre le diamètre intérieur du rebord annulaire radial et le diamètre extérieur de l'élément tranchant dépasse la limite supérieure indiquée ci-dessus, cela provoque, lors de l'usinage, une déformation radiale de la base de positionnement, qui rend plus difficile la fixation de l'élément tranchant sur l'axe de l'outil de coupe.D'autre part, lorsque ce rapport entre le diamètre intérieur du rebord annulaire radial et le diamètre extérieur de l'élément tranchant est plus petit que la limite inférieure indiquée, cela nécessite une augmentation de la quantité de métal constituant l'élément tranchant sans contribuer à l'amélioration de ses caractéristiques d'utilisation. La composante axiale de l'effort de coupe croit avec l'augmentation du diamètre de l'élément tranchant. Aussi, lors de la détermination de la hauteur h du rebord annulaire radial, faut-il tenir compte du diamètre extérieur D de l'élément tranchant, ce qui est reflété dans la relation donnée ci-dessus. Quand la valeur choisie est plus petite que la valeur conseillée, cela ne diminue pas l'effet défavorable des vibrations axiales forcées (propres) de l'anneau. Quand la valeur de h est choisie plus grande que la valeur conseillée, cela n'aboutit qu'à une augmentation de la quantité de métal constituant l'élément tranchant et ne contribue pas à améliorer ses caractéristiques. On a établi que dans le cas où la surface extérieure de l'anneau est réalisée cadque,avecunangle de conicité de 15 à 450, la hauteur h du rebord annulaire radial est sensiblement égale à l'épaisseur minimale a min de l'anneau. En effet, lors de l'usinage à l'aide d'un élément tranchant dont la surface extérieure est réalisée conique avec un angle de conicité compris entre 15 et 450, il se produit une augmentation du bras du point d'application de l'effort axial à l'arête tranchante de l'anneau par rapport à la base de positionnement et une augmentation du couple de flexion agissant sur l'anneau. Pour éviter la détérioration de l'anneau à endroit de sa jonction avec le rebord annulaire radial, il est donc rationnel, d'après les résultats des essais effectués par les inventeurs, de donner audit rebord annulaire radial une hauteur sensiblement égale à la valeur minimale de l'épaisseur de l'anneau. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparaîtront mieux à la lumière de la description explicative qui va suivre d'un mode de réalisation donné uniquement à titre d'exemple non limitatif, avec références au dessin unique non limitatif annexé dans lequel - la figure 1 est une vue d'ensemble d'un élément tranchant conforme à l'invention dont la surface intérieure est réalisée excentrique par rapport à la surface extérieure (coupe longitudinale); - la figure 2 représente une vue de dessus de 1 'élément tranchant de la figure 1; - la figure 3 est une vue d'ensemble d'un élément tranchant conforme à l'invention,dont la surface intérieure est en forme d'ellipse (coupe longitudinale); - la figure 4 représente une vue de dessus de l'élément tranchant de la figure 3;; - la figure 5 représente une variante de réalisation de l'élément tranchant conforme à l'invention, à labase duquel est réalisé un rebord annulaire radial (coupe longitudinale) - la figure 6 est une vue de dessus de l'élément tranchant de la figure 5. L' élément tranchant pour outil de coupe, représenté sur la figure 1, est-réalisé sous forme-d'un anneau 1 présentant une surface extérieure 2 de forme conique et des faces 3 et 4, la face 3 faisant office de base de positionnement et la face opposée 4 formant une arête tranchante 5. La surface intérieure 6 de l'anneau 1 est excentrique par rapport à l'axe géométrique 7 (figure 2) de symétrie de la surface extérieure 2. L'axe 8 de symétrie de la surface i#ntérieure 6 est situé, par rapport à l'axe 7, à une distance correspondant à-la valeur de l'excentricité "e" . Il en résulte une épaisseur a non uniforme de l'anneau 1. La plus petite épaisseur a min de l'anneau 1 se situe sur l'axe 9 de symétrie de l'anneau 1. La plus grande épaisseur a maux dç l'anneau 1 se trouve elle aussi sur l'axe 9. L'épaisseur a de l'anneau 1 s'accroît uniformément dans les sens indiqués par les flèches A. Par conséquent, la rigidité radiale d'un tel élément tranchant n'est pas, elle non plus, uniforme suivant le périmètre de l'anneau. La valeur de l'épaisseur minimale amin de l'anneau 1 est trouvée à partir de la formule D étant le diamètre extérieur de l'anneau , exprimé en mm. Par exemple, pour des éléments tranchants dont le diamètre extérieur ne dépasse pas 30 mm, l'épaisseur minimale de l'anneau est trouvée à l'aide de la formule Quand le diamètre extérieur de l'anneau ne dépasse pas 50 mm, on a Dans tous les autres cas, l'épaisseur minimale de l'anneau est déterminée à partir de la formule L'élément tranchant d'outil de coupe rotatif représenté sur la figure 3 est réalisé sous forme d'un anneau 10 présentant une surface extérieure Il de forme cylindriqueet des faces 12 et 13, dont l'une (12) fait office de base de positionnement et dont la surface opposée 13 forme une arête tranchante 14. La surface intérieure 15 de l'anneau 10 est en forme d'ellipse (figure 4).L'élément tranchant considéré comporte donc deux zones identiques de rigidité minimale et d'épaisseur amin qui se situent sur le grand axe 16 de 1'ellipse. Les deux zonesdertssdité mrdmale, d'épaisseur amax , se trouvent sur le petit axe 17 de l'ellipse. L'épaisseur a de l'anneau 10 passe de sa valeur minimale à sa valeur maximale, c'est-à-dire de a min à a max , dans les sens indiqués par les flèches B et C, respectivement. La rigidité radiale de l'anneau 10 varie elle aussi dans les mêmes sens, respectivement, de sa plus petite valeur aux endroits d'épaisseur minimale amin à sa plus grande valeur aux endroits d'épaisseur maximale a maux de l'anneau. L'élément tranchant d'outil de coupe rotatif représenté sur la figure 5 se présente sous forme d'un anneau 18 présentant une -surface extérieure 19 de forme conique à angle de cône > = 15 à 450, et des faces 20 et 21. La face 20 fait office de base de positionnement, tandis que la face opposée 21 forme une arête tranchante 22. La surface intérieure 23 de l'anneau 18 est excentrée, par rapport à-la surface 19, d'une valeur e1 (figure 6). Sur la surface intérieure 23 de l'anneau, dans la zone de sa face 20 constituant sa base de positionnement, est réalisé un rebord annulaire radial 24 de hauteur h24 et de diamètre intérieur d24 , qui permet de réduire considérablement les différences de valeur des déformations élastiques axiales et la fréquence des vibrations axiales forcées (propres) de l'anneau 18, engendrées par. lesdites déformations. Le rapport entre le diamètre intérieur d24 du rebord annulaire radial 24 et le diamètre extérieur D18 de l'anneau 18 est choisi de manière que tandis que la hauteur h24 du rebord annulaire radial 24 est déterminée à partir de l'expression Un rebord annulaire radial analogue peut être réalisé sur l'élément tranchant représenté sur les figures 3 et 4. Pour usiner des matériaux qui se caractérisent par des charges de choc, il est conseillé de choisir le rapport d et la valeur h de l'élément tranchant de manière que d D = 0,2 à 0,4 Pour l'usinage de demi-finition de matériaux Pour l'usinage de finition de matériaux Dans le cas d'un anneau à surface extérieure 19 conique à angle de cône 0( = 15 à 450 , la hauteur h24 du rebord annulaire radial 24 est sensiblement égale à la plus petite valeur de l'épaisseur de l'anneau 18, L'élément tranchant d'outil de coupe rotatif représenté sur les figures 1, 2 fonctionne de la façon suivante. Sous l'effet de la rotation de la pièce à usiner et de l'avance longitudinale du support de la machine-outil, l'élément tranchant de l'outil de coupe rotatif réalisé sous forme d'un anneau 1 tourne autour de l'axe 7 de symétrie de sa surface extérieure 2. L'effort de coupe, principalement sa composante radiale, provoque une déformation élastique radiale de l'anneau 1, qui se répartit de part et d'autre à partir de l'endroit du contact entre l'anneau 1 et la pièce à usiner (non représentée). Lorsque. l'éliment tranchant contacte la surface de la pièce à l'endroit de sa rigidité radiale minimale, déterminée par l'épaisseur minimale a min de l'anneau 1, les déformations élastiques dudit anneau se propagent dans les sens indiqués par les flèches A, respectivement de part et d'autre de la zone d'épaisseur minimale a min de l'anneau 1. Les vibrations forcées (propres) de l'anneau 1 engendrées par ses déformations élastiques se propagent elles aussi dans les sens indiqués. A l'instant suivant, du fait de la rotation de l'élément tranchant, la composante radiale de l'effort de coupe déforme élastiquement l'anneau 1 à l'endroit de sa rigidité maximale amax , ctest-à-dire à l'endroit de sa rigidité radiale maximale.Les déformations élastiques à cet endroit et les vibrations forcées (propres) de l'anneau 1 qu'elles engendrent se propagent elles aussi suivant le périmètre de l'anneau 1 en sens contraire les unes des autres. Cependant, la fréquence des vibrations forcées (propres) de l'anneau 1 à cet endroit diffère de la fréquence des vibrations de l'anneau 1 à l'endroit de son épaisseur minimale amine ctest-à-dire à l'endroit de sa rigidité minimale, du fait de la différence de valeur des déformations élastiques à ces endroits. Lors de l'usinage-à l'aide de l'élément tranchant considéré, la coincidence des fréquences de vibrations forcées (propres) des parties déformables, c'est-à-dire le phénomène de résonance aboutissant à la détérioration de l'anneau 1,est exclue grâce à la rigidité radiale variable suivant le périmètre de l'anneau. Tous les autres éléments tranchants conçus conformément à l'invention et décrits plus haut fonctionnent d'une manière analogue. L'élément tranchant d'outil de coupe rotatif faisant l'objet de l'invention a une durée de vie plus élevée, car les conditions de son utilisation sont plus favorables que celles des éléments tranchants connus. Les différentes variantes de réalisation de l'élément tranchan#t d'outil de coupe rotatif conforme à l'invention se distinguent par la technologie avantageuse et la simplicité de leur fabrication Les rapports des dimensions des parties de l'élément tranchant préconisés dans la présente invention permettent, au stade de l'étude et de l'élaboration des projets, d'assurer sa longévité maximale et de réduire à un minimum la quantité de métal nécessaire à sa fabrication ainsi que la consommation de matériaux à outils. REVENDICATIONS 1.- Elément tranchant pour outil de coupe rotatif, du type réalisé sous forme d'un anneau (1) présentant une surface extérieure (2) en forme de surface de révolution et des faces (3 et 4) dont l'une (3) fait office de base de positionnement tandis que la surface opposée (4) forme une arête tranchante (5), caractérisé en ce que l'anneau (1) présente une rigidité radiale variable suivant son périmètre. 2.- Elément tranchant selon la revendication 1, caractérisé en ce que la rigidité radiale variable suivant le périmètre de l'anneau (1) est obtenue en lui donnant une épaisseur (a) variable dont la valeur minimale est déterminée d'après la formule D étant le diamètre extérieur de l'anneau, exprimé en mm. 3.- Elément tranchant selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la rigidité radiale variable suivant le périmètre de l'anneau (10) est obtenue en donnant à la surface intérieure (15) la forme d'un ellipse. 4.- Elément tranchant selon l'une des revendicarions 1 et 2, caractérisé en ce que la rigidité radiale variable suivant le périmètre de l'anneau (18) est obtenue du fait que les surfaces extérieure (19) et intérieure (23) de l'anneau (18) sont excentriques l'une par rapport à l'autre. 5.- Elément tranchant selon la revendication 4, caractérisé en ce que la surface intérieure (23) de l'anneau (18) présente près de sa face (20) un rebord annulaire radial (24). 6.- Elément tranchant selon la revendication 5, caractérisé en ce que le rapport entre le diamètre intérieur (d24) du rebord annulaire radial (24) et le diamètre extérieur (D18) de l'anneau (18) se trouve dans les limites de 0,2 à 0,8, la hauteur (h24) dudit rebord annulaire radial étant calculée à l'aide de l'expression 7.- Elément tranchant selon la revendication 6, caractérisé en ce que dans le cas d'un anneau (18) dont la surface extérieure (23) est conique, à angle de cône de 15 à 450, la hauteur (h24) du rebord annulaire radial (24) est sensiblement égale à la plus petite épaisseur de l'anneau (18).