Brevet FR2556637A1 — publié le 19850621

La présente invention concerne les constructions mecaniques et a notamment pour objet un procédé d'usinage à chaud avec chauffage de la zone de coupe au plasma (usinage assisté au plasma). L'invention peut entre appliquée avec une efficacité maximale à l'usinage d'ébauche de pièces en métaux de grande résistance et durs, y compris les métaux actifs, par exemple le titane et ses alliages. En outre, l'invention peut entre appliquée au traitement thermique superficiel. Dans ce cas, la couche de métal uniformément réchauffée jusqu'à la température prescrite est refroidie à la surface par un dispositif spécial (asperseur) monté à la place de l'outil de coupe. On connatt un procédé d'usinage à chaud dit "Cut fast", c'est-à-dire de coupe à grande vitesse, mis au point par la firme anglaise PERLA, dans lequel la couche devant entre coupée par l'outil est réchauffée par plasma d'arc dont la tache anodique se trouve devant l'outil de coupe. L'idée essentielle de ce procédé réside dans le chauffage local de la zone de coupe au plasma, avec enlè- vement sensiblement simultané d'une couche de métal par coupe. L'outil de coupe utilisé est un outil résistant aux températures élevées, car la coupe s'effectue dans la zone où la couche à enlever est fortement réchauffée. Le gaz plasmagène utilisé est l'argon pur, ce qui restreint les possibilités d'application du procédé et le rend onéreux. Dans le procédé connu, le rendement est augmenté du fait d.e l'accroissement de la vitesse de coupe, l'avance par tour restant inchangée ou étant même diminuée par rapport à l'usinage sans chauffage Or, l'augmentation de la vitesse de coupe rend impossible l'usinage de pièces de grande masse, déséquilibrées ou excentrées, car elle entraine l'accroissement des charges percussives et la mise hors d'usage prématurée de l'outil de coupe. En outre, l'augmentation de la vitesse et les charges percussives provoquent une usure plus rapide de l'équipement. Le procédé connu ne permet pas l'usinage de toute une série de métaux actifs difficilement usinables, tels que le titane et ses alliages, car les copeaux minces se formant lors de l'usinage par ce procédé, étant portés à une température élevée, s'enflamment spontanément sous l'effet de leur oxydation dans l'air, qui est une réaction exothermique. Dans l'usinage par le procédé connu "Cut fast", la tenue de l'outil de coupe diminue par suite de son contact constant avec la couche à structure alpha se formant dans la zone de la tache anodique. De la sorte, le procédé connu n'est destiné qu'à l'usinage par outil monocoupe avec enlèvement d'une couche de faible épaisseur et de petite largeur (faible section). On s'est donc proposé de créer un procédé d'usinage à chaud, dans lequel la combinaison du régime de chauffage par plasma d'arc de la couche à enlever et du régime de coupe serait telle qu'elle permettrait l'enlèvement d'une couche de forte épaisseur et l'usinage de pièces de grande masse, déséquilibrées ou excentrées, y compris des pièces en étaux actifs tels que le titane et ses alliages, avec un grand rendement, tout en assurant une grande tenue de l'outil de coupe. La solution consiste en un procédé d'usinage à chaud, dans lequel la couche devant 8tre enlevée par l'outil de coupe est réchauffée par un plasma d'arc dont la tache anodique se trouve devant l'outil de coupe, procédé dans lequel, d'après l'invention, les paramètres de chauffage de la couche à enlever et la situation de la tache anodique du plasma d'arc sont choisis en fonction du régime de coupe prescrit et des dimensions de la couche à enlever, de telle sorte que la profondeur de pénétration du chauffage améliore l'usinabilité. Le choix des paramètres de chauffage et des régimes de coupe conformément a l'invention assure un chauffage uniforme de la couche à enlever Jusqu'à la température prescrite, ce qui, à son tour, permet d'augmenter l'épaisseur de la couche à enlever. En définitive, il devient possible d'usiner des pièces de grande masse, déséquilibrées ou excentrées, avec un grand rendement, sans augmenter la vitesse de coupe. En outre, l'augmentation de l'épaisseur de la couche à enlever, assurée par le procédé faisant l'objet de l'invention, rend possible l'usinage de pièces en métaux actifs, tels que le titane et ses alliages, sans inflammation spontanée des copeaux. La combinaison choisie des régimes de chauffage et de coupe permet d'abaisser fortement les charges percussives sur l'outil de coupe, ainsi que de supprimer l'influence sur l'outil de coupe de la couche à structure alpha se formant dans la zone de la tache anodique, ce qui, à son tour, accrott la tenue de l'outil de coupe. En cas d'utilisation d'un plasma d'arc à tache anodique fixe, il est avantageux que la dimension de la tache anodique suivant la largeur de la couche à enlever soit plus petite que la largeur choisie de la couche à enlever par l'outil de coupe d'une valeur comprise entre 1,2 et 2,5 fois l'épaisseur choisie de la couche à enlever, et que, pendant la coupe à vitesse constante, l'outil de coupe soit situé, par rapport à la tache anodique, à une distance sensiblement égale au produit de la vitesse de coupe par la durée de la mise en température de la couche à enlever. Une telle combinaison de la grandeur de la tache anodique et de la situation de l'outil de coupe assure l'égalisation de la température dans la zone de coupe pendant le temps durant lequel la zone de la pièce réchauffée par la tache anodique passe de l'endroit ou elle est chauffée par la tache anodique à l'endroit où elle est attaquée par l'outil, la pièce à usinertournant à la vitesse prescrite, ce qui permet d'obtenir un réchauffage uniforme, tant suivant la largeur que suivant l'épaisseur de la couche à enlever. Ladite uniformité du réchauffage crée des conditions de coupe optimales et accroit la tenue de l'outil de coupe. Dans une autre variante de réalisation du procédé faisant l'objet de l'invention, en cas d'utilisation d'un plasma d'arc à tache anodique oscillante, il est avantageux que la largeur choisie de la couche à enlever dépasse l'amplitude des oscillations de la tache anodique d'une valeur égale à la somme de la dimension de la tache anodique suivant la largeur de la couche à enlever, et d'une valeur égale à 1,2 à 2,5 fois l'épaisseur de la couche à enlever, la vitesse de coupe étant choisie sensiblement égale au produit de la fréquence des oscillations de la tache anodique par sa dimension suivant la largeur de la couche à enlever. Une telle combinaison de la largeur de la couche à enlever et de la vitesse de coupe rend possible l'usinage par enlèvement d'une couche de grande largeur, y compris l'usinage par outil multi-coupe, par exemple par fraise. Afin d'utiliser au maximum la puissance thermique, le plasma d'arc est disposé de telle façon que son axe longitudinal soit orienté dans la direction du déplacement de la pièce, sous un angle aigu par rapport à son vecteur, ce qui assure le réchauffage de la couche à enlever sans que la partie de métal fondu soit chassée de la surface de la pièce, ctest-à-dire que toute la chaleur fournie par le plasmad"arc. à la surface de la pièce à usiner est utilisée pour réchauffer le métal dans la zone de coupe. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages, détails et caractéristiques de l'invention appa raieront de la description qui va suivre de différents modes de réalisation de l'invention. Le procédé d'usinage à chaud faisant l'objet de l " nvention est caractérisé en ce que la couche devant être enlevée par l'outil de coupe est rechaufée par un plasma d'arc, la tache anodique étant située devant l'outil de coupe. L'outil de coupe employé est un outil en carbure de tungstène au cobalt ou de titane au cobalt, ou bien en céramique. Le chauffage s'effectue à l'aide d'un plasma d'arc de plasmatron, dans lequel le gaz plasmagène utilisé est, par exemple, l'air du réseau de distribution sous une pression de 4,05 à 6,08.105 Pa. On monte la pièce à usiner sur la table ou le plateau de la machine-outil. La machine-outil et le plasma- tron sont mis en marche et l'outil de coupe est amené dans la zone de coupe. D'après l'invention, les paramètres de chauffage de la couche à enlever et la situation de la tache anodique du plasma d'arc sont choisis en fonction du régime de coupe prescrit et des dimensions de la couche à enlever, de telle façon que la profondeur de pénétration du chauffage assure une amélioration de l'usinabilité du matériau de la pièce dans la zone de coupe, ce qui rend possible l'usinage par enlèvement d'une couche de forte épaisseur. En cas d'utilisation d'un arc plasma d'arc à tache anodique fixe, la dimension de la tache anodique suivant la largeur de la couche à enlever est choisie plus petite que cette largeur d'une valeur comprise entre 1,2 et 2,5 fois l'épaisseur choisie de la couche à enlever. Si la dimension de la tache anodique suivant la largeur de la cruche à enlever est choisie plus grande tEU plus petite que celle recommandée, le réchauffage de la couche à enlever devient irrégulier. Dans le premier cas, la couche à enlever sera sur- chauffée suivant la largeur, ce qui provoquera un abaisç sement de la tenue de l'outil de coupe et, en outre, l'outil de coupe n'enlèvera pas toute la couche de métal portée à la température prescrite. Dans le second cas, au contraire, une partie du métal coupé n'aura pas atteint la température prescrite, ce qui se traduira aussi par un abaissement de la tenue de l'outil de coupe. Cette dépendance du choix de la dimension de la tache anodique vis-à-vis de l'épaisseur de la couche à enlever est établie en tenant compte des propriétés thermophysiques du métal à usiner : conductivité thermique, capacité calorifique, température des changements de phase, etc. Le rendement maximal de l'usinage est obtenu quand la largeur de la couche à enlever est sensiblement égale à la largeur de la couche portée à la température améliorant l'usinabilité du métal. Le rêchauffage uniforme de la couche à enlever, ainsi que l'accroissement de la tenue de l'outil de coupe, sont obtenus grâce au fait que, pendant une oscillation de la tache anodique, la surface à usiner de la pièce parcourt une distance qui est sensiblement égale à la dimension de la tache anodique dans la direction de coupe. Pendant l'usinage, le plasma d'arc est disposé de telle façon que son axe longitudinal soit orienté dans la direction du mouvement de la pièce, sous un angle aigu par rapport à son vecteur, ce qui assure une utilisation maximale de la puissane thermique pour le réchauffage de la couche à enlever, sans que la partie de métal fondue soit chassée de la surface de la pièce, c'est-à-dire que toute la chaleur fournie par le plasma d'arc à la surface de la pièce à usiner est utilisée pour réchauffer le métal dans la zone de coupe. Ci-après sont décrits quelques exemples de réalisation concrets mais nonlImitatitS de mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention. Exemple n 1 Pièce en acier faiblement allié. Dimensions : diamètre. . . . . . . . . . 3000 mm, hauteur . . . . . . . . . . 600 mm, faux-rond de la surface . . 45 mm. La pièce brute est recouverte d'une croûte de fonderie. Régime de chauffage courant de plasma d'arc. . . . . . . . . 320 A, tension. . . . . . . . . . . . . . . . . 120 V, dimension de la tache anodique. . . . . 14 mm, distance de la tache anodique à l'outil . . . . . . . . . . . . . . . . (180#5) mm; angle d'inclinaison de l'axe du plasmatron. . . . . . . . . . . . . . . 75 à 90 . Régime d'usinage vitesse de coupe . . . . . . . . . . . . 60 m/min, avance (épaisseur de la couche enlevée). 2,4mm/tr, profondeur (largeur de la couche enlevée) . . . . . . . . . . . . . . . . 20 mm. Outil en carbure de tungstène au cobalt. Tenue de l'outil jusqu'au réaffûtage v . . . . 60 min Exemple n 2 Pièce en acier doux. Dimensions : diamètre. . . . . . . . . 0 1550 mm, hauteur . . . . . . . . . . 1600 mm, faux-rond de la surface . . 40 mm. La pièce brute est recouverte d'une croûte de fonderie Régime de chauffage courant de plasma d'arc . . . . . . . . 300 A, tension . . . . . . . . . . . . . . . 120 V dimension de la tache anodique. . . . . 23 à 25 mm distance de la tache anodique à l'outil. (150+5) mm angle d'inclinaison du plasmatron. . . . 80 à 900 Régime d'usinage vitesse de coupe . . . . . . . . . . . 45 m/min, avance (épaisseur de la couche enlevée). 2,4 mm/tr, profondeur (largeur de la couche enlevée). . . . . . . . . . . . . . . . 40 mm. Outil en carbure de titane au cobalt. Tenue de l'outil jusqu'au réaffûtage. . 60 min. Exemple n0 3 Cylindre de laminoir à froid (acier au chrome-molybdbne) Dimensions : diamètre . . . . . . . . . 680 mm, longueur . . . . . . . . . 4200 mm, faux-rond de la surface. . 50 mm. Régime de chauffage courant de plasma d'arc . . . . . . . . 350 A, tension . . . . . . . . . . . . . . . . 140 140 V, dimension de la tache anodique. . . . . 32 à 34 mm, distance de la tache anodique à l'outil . . . . . . . . . . . . . . . . 200 à 300 mm, angle d'inclinaison de l'axe du plasmatron. . . . . . . . . . . . . . . 600 Régime d'usinage : vitesse de coupe . . . . . . . . . . . 30 m/min, avance (épaisseur de la couche enlevée). . . . . . . . . . . . . . . . 1,62 à 3,25 mm/tz profondeur (largeur de la couche enlevée). . . . . . . . . . . . . . . . 40 mm Outil en carbure de tungstène au cobalt. Tenue de l'outil jusqu'au réaffûtage. . 60 min. Exemple n 4 Anneau en alliage de titane de grande résistance, diamètre : 1700 mm. Régime de chauffage courant de plasma d'arc . . . . . . . . 280 A, tension . . . . . . . . . . . . . . . . 100 V, dimension de la tache anodique. . . . . 12 mm, distance de la tache anodique à l'outil. . . s . . . . . . . . . . 250 à 270 mm, angle d'inclinaison de l'axe du plasmatron . . . . . . . . . . . . 75 , amplitude des oscillations . . . . 24 mm, fréquence des oscillations . . . . 50 Hz, Régime d'usinage vitesse de coupe . . . . . . * * . 10 à 12 m/min, avance (épaisseur de la coupe enlevée) . . . . . . . . . . . . . 1,8 mm/tr, profondeur (largeur de la couche enlevée) . . . . . . . . . .. . . 40 mm. Outil en carbure de tungstène au cobalt. Tenue de l'outil jusqu'au réaffûtage . . 60 min. Exemple n 5 Pièce de 350 mm de diamètre en alliage de grande résistance à base de nickel. Régime de chauffage courant de plasma d'arc. . . . . . 300 A, tension. . . . . . . . . . . . . . 100 V, dimension de la tache anodique . . 4 mm, distance de la tache anodique à l'outil. . . . . . . . . . . . . . 120 mm, angle d'inclinaison de l'axe du plasmatron . . . . . . . . . . . . 80 Régime d'usinage vitesse de coupe . . . . . . . . . 15 m/min, avance (épaisseur de la couche enlevée). . . . . . . . . . . . . 1,6 à 2,2 mm/tr profondeur (largeur de la couche enlevée) . . . . . . . . . . . . 8 8 mm. Outil en carbure de titane au cobalt. Tenue de l'outil Jusqu'au réaffûtage . . 40 min. Exemple n 6 Pièce en alliage de titane de grande résistance. Dimensions de l'anneau . . . . . . 2500 x 300 mm Faux-rond de la surface . . . . . . . . 25 mm. Régime de chauffage : courant de plasma d'arc. . . . . . . . . (200#20) A, tension................................. (120#10) V, distance de la tache anodique à l'outil................................. (250#10)mm, angle d'inclinaison de l'axe du plasmatron 450. Régime d'usinage : vitesse de coupe........................ 8 à 10 m/min, avance (épaisseur de la couche enlevée)................................ 1,25 à 1,8 mm/tr, profondeur (largeur de la couche enlevée)................................ 25 mm. Outil en carbure de tungstène au cobalt. Tenue de l'outil jusqu'au réaffûtage............ 40 min. Exemple n 7 Pièce en acier inoxydable. Dimensions : diamètre .................. 3300x2800 mm, hauteur .................... 300 mm. Surface extérieure brute de laminage. Régime de chauffage : courant de plasma d'arc (240 1 20)A, tension * o 120 + 10 V, dimension de la tache anodique 12 mm, angle d'inclinaison de l'axe du plasmatron.............................. 45 . Régime d'usinage : vitesse de coupe........................ 40 m/min, avance (épaisseur de la couche enlevée). 1,5 mm/tr, profondeur (largeur de la couche enlevée)................................ 25 mm. Outil en carbure de tungstène au cobalt. Tenue de l'outil jusqu'au réaffûtage.... 45 min. Les exemples donnés ci-dessus montrent que le procédé faisant l'objet de l'invention permet d'usiner des pièces de grande masse, déséquilibrées et excentrées, avec un grand rendement, tout en assurant une grande tenue de l'outil de coupe. En outre, le procédé conforme à l'invention rend possible l'usinage de pièces en métaux actifs, tels que le titane et ses alliages, sans inflammation spontanée des copeaux. Le procédé faisant l'objet de l'invention permet d'exécuter l'usinage en enlevant une couche de grande largeur, grâce à l'élargissement de la zone de chauffage résultant de l'oscillation de la tache anodique. Un avantage du procédé faisant l'objet de l'invention consiste en ce que l'augmentation de l'épaisseur de la couche enlevée permet l'usinage de pièces ayant des défauts (croûte de fonderie, calamine) sans abaissement de la tenue de l'outil de coupe. REVENDICATIONS 1. Procédé d'usinage à chaud, du type dans lequel la couche devant être enlevée par l'outil de coupe est réchauffée par un plasma d'arc dont la tache anodique se trouve devant l'outil de coupe, c a r a c t é r i s é en ce que les paramètres de chauffage de la couche à enlever et l'emplacement de la tache anodique du plasmad'arc sont choisis en fonction du régime de coupe prescrit et des dimensions de la couche à enlever, de telle sorte que la profondeur de pénétration du chauffage améliore l'usinabilité du matériau de la pièce dans la zone de coupe. 2. Procédé selon la revendication 1, c a r a c t ér i s é en ce que, en cas d'utilisation d'un plasma d'arc à tache anodique fixe, la dimension de la tache anodique suivant la largeur de la couche à enlever est choisie plus petite que cette largeur d'une valeur comprise entre 1,2 et 2,5 fois l'épaisseur choisie de la couche à enlever, et que, pendant la coupe à vitesse constante, l'outil de coupe est situé, par rapport à la tache anodique, à une distance sensiblement égale au produit de la vitesse de coupe par la durée de la mise en température de la couche à enlever. 3. Procédé selon la revendication 1, c a r a c t ér i s é en ce que, en cas d'ulisation d'un plasma d'arc à tache anodique oscillante, la largeur de la couche à enlever est choisie plus grande que l'amplitude des oscillations de la tache anodique d'une valeur égale à la dimension de la tache anodique suivant ladite largeur plus une valeur égale à 1,2 à 2,5 fois l'épaisseur choisie de la couche à enlever, la vitesse de coupe étant choisie sensiblement égale au produit de la fréquence des oscillations de la tache anodique par sa dimension suivant la largeur de la couche à enlever. 4. Procédé selon l'une des revendications 2 et 3, c a r a c t é r i s é en ce que le plasma d'arc est disposé de telle façon que son axe longitudinal soit orienté dans la direction au déplacement de la pnecep sous un angle aigu par rapport à son vecteur. 5. Ebauches ou pieces analogues caractérisées en ce qu'elles sont usinées conformément au procédé faisant l'objet de l'une des revendications 1, 2, 3 et 4.