Brevet FR2566691A1 — publié le 19860103

PROCEDE D'USINAGE D'UN RESEAU DE PREFRAGMENTATION ET GENERATEUR D'ECLATS POUR CHARGE MILITAIRE EXPLOSIVE L'invention concerne un procédé industriel qui permet, d'usiner dans un élément métallique un réseau de préfragmentation constitué par un treillis de saignées dont la profondeur peut être sensiblement égale à l'épaisseur de l'élément; mais elle concerne également un générateur d'éclats métalliques pour charge militaire explosive destinée aux projectiles d'artillerie, aux bombes, aux grenades, aux têtes militaires des missiles et aux objets similaires. On connaît déjà différents procédés d'usinage permettant de former un réseau de préfragmentation dans un élément métallique afin d'obtenir sous l'action d'une forte poussée ou d'un choc, des fragments métalliques dont les dimensions et la masse sont calibrées. Les procédés connus font appel aux techniques conven tionnalles du tournage, du fraisage, du sciage et de l'électro-érosion. Ces procédés connus de l'état de la technique présentent certaines limitations. En effet, la largeur des saignées doit être accrue lorsque l'on cherche à augmenter la profondeur des saignées, avec pour conséquence des durées d'usinage plus importantes, mais égale ment une diminution du rapport du volume total des fragments, au volume primitif de l'élément. Une charge militaire explosive à effet d'éclats comprend essentiellement un générateur d'éclats, un chargement explosif et des moyens de mise à feu du chargement explosif. Le générateur d'éclats est le plus souvent constitué par un corps métallique de révolution creux fermé à ses extrémités par deux flasques, conte nant le chargement explosif. La calibration de la fragmentation du générateur d'éclats est effectuée: a) soit par une préfragmentation partielle constituée par un treillis de rainures internes ou externes obtenues par usinage ou fonderie, par des enroulements crantés ou non, par des anneaux jointifs ou multicouches rainures ou non dentés ou non. b) soit par l'emploi de générateurs hétérogènes à parois lisses constitués par des inclusions dans une coulée de métal ou de résine (générateur à billes enrobées ou parallélépipèdes imbriqués). c) soit par une préfragmentation complète, c#hacun des éclats étant collés ou soudés à une virole ou bien contenu entre deux viroles. d) soit par modulation de la détonation d'un chargement explosif contenu dans un générateur homogène lisse. La modulation est assurée: e) soit par interposition d'un matériau inerte de forme appropriée entre le chargement explosif et la face interne du générateur d'éclats. f) soit par réalisation dans le chargement explosif lui-même des cavités de forme appropriée à l'interface chargement/générateur d'éclats. Le pouvoir de destruction de la charge explosive dépend de la régularité dimensionnelle et de la masse globale des éclats, mais elle dépend également de la vitesse des éclats et de leur flux sur la cible. Les caractéristiques du réseau de préfragmentation sont déterminantes pour l'efficacité de la charge militaire; notamment dans le cas du générateur partiellement ou complètement préfragmenté, la largeur des saignées doit être minimisée, les génératrices du réseau doivent être adaptées aux caractéristiques de la source d'éclats et éventuellement le profil de la paroi métallique doit être conformé à la directivité de la charge explosive. Les procédés d'usinage de l'art antérieur précité ne permettent pas d'atteindre ces objectifs et de plus la durée d'exécution du réseau de saignées doit être raisonnable. Pour atteindre ces objectifs, l'invention fournit un procédé permettant d'usiner, dans un élément métallique, un réseau de préfragmentation constitué par un treillis de saignées; ce procédé consiste: à évaporer localement le matériau de l'élément métallique selon les génératrices du réseau de préfragmentation par projection d'un faisceau d'énergie laser focalisée sur la surface de l'élément; à insuffler, coaxialement au faisceau laser un courant gazeux oxydant, afin, d'une part, d'accélérer par réaction exothermique, le processus d'évaporation du matériau, et d'autre part, d'éjecter les scories de la saignée en cours d'usinage, et, à contr8ler le mouvement relatif de l'élément métallique et de la tache focale du faisceau d'énergie laser. D'autres caractéristiques apparaîtront dans la description détaillée qui va suivre, faite en regard des dessins annexés; sur ces dessins - la figure 1 montre les principaux paramètres de construction d'un réseau de préfragmentation; - les figures 2a et 2b montrent un élément préfragmenté ayant une configuration cylindrique plane; - la figure 3, à titre illustratif, montre, avant l'opération de préfragmentation, un élément ayant une configuration de révolution convexe; - la figure 4, à titre illustratif, montre, avant l'opération de préfragmentation, un élément ayant une configuration de révolution concave; - la figure 5 montreuse installation industrielle permettant de mettre en oeuvre le procédé d'usinage de l'invention;; - - la figure 6 représente une forme de construction de la buse de rainurage; - la figure 7 est une courbe expérimentale qui montre, pour un acier particulier, le coefficient d'absorption Co du matériau en fonction de la puissance surfacique du faisceau d'énergie laser; - les figures 8a et 8b montrent une virole pour générateur d'éclats dans laquelle a été usiné un réseau de préfragmentation formé par une pluralité de cercles et de droites orthogonales à ces cercles; - les figures 9a et 9b montrent une forme de construction d'une virole pour générateur d'éclats; - les figures 10a et 10b montrent les principaux paramètres d'usinage des rainures à la surface d'une virole cylindrique plane. La figure I, selon une vue en coupe partielle, montre les principaux paramètres des saignées d'un réseau de préfragmentation l. Dans un élément 2 d'épaisseur E, chacune des saignées 3 est définie par sa profondeur p et sa largeur a. Le réseau de saignée 1 est défini par le pas P ou distance entre les saignées et par l'épaisseur résiduelle non fragmentée e de l'élément. Lors de l'usinage du réseau de préfragmentation il faut également prendre en compte, la nature du matériau de Pélément et ses caractéristiques physiques particulières, notamment, sa conductibilité thermique, sa température de vaporisation, son pouvoir absorbant et sa réactivité à l'oxygène dans sa phase de vaporisation. Le rapport de la profon deur p à la largeur a des saignées doit être importante, par exemple supérieure à 20.Aussi, le rapport de l'épaisseur résiduelle non fragmentée e à l'épaisseur E de l'élément métallique est adaptée au mode d'expulsion par explosion. Les figures 2a et 2b montrent un élément préfragmenté ayant une configuration cylindrique plane d'axe de révolution X-X'. Sur la figure 2a qui correspond à une coupe longitudinale de l'élément, on a représenté à titre de comparaison, un premier élément ayant des rainures équatoriales la de la largeur ai et un second élément dont la largeur a2 des rainures équatoriales est notablement plus élevée que la largeur al des rainures correspondantes du premier élément. Pour ces deux éléments, dans le cas général où la longueur du générateur et la masse des éclats sont imposées on constate que plus la largeur a des rainures est faible plus le nombre d'éclats est élevé et plus la distance entre leur projection sur la cible sera réduite. On peut également noter que la différence d'épaisseur eb est un paramètre déterminant de la masse d'explosive placée à l'intérieur de l'élément. Sur la figure 2b qui correspond à une coupe transversale du premier élément de la figure 2a, on a représenté les rainures méridiennes lb, dont la largeur al peut être égale à celle des rainures équatoriales la. Les intersections des rainures méridiennes lb et des rainures équatoriales la délimitent des quadrilatères carrés ou rectangles selon les pas P respectifs des saignées équatoriales et méridiennes du réseau. La figure 3, à titre -illustratif, montre avant l'opération de préfragmentation, un élément ayant une configuration de révolution convexe d'axe X-X' particulièrement adaptée à une charge militaire à gerbe d'éclats du type divergente. La figure 4, toujours à titre illustratif, montre, avant l'opération de préfragmentation, un élément ayant une structure de révolution concave d'axe X-X', adaptée à une charge militaire à gerbe d'éclats du type convergent. Le profil de la paroi de l'élément, ou virole, est déterminé par le diagramme de directivité de la charge militaire. La figure 5 montre une installation industrielle permettant d'usiner un réseau de préfragmentation sur la surface externe d'un élément de forme plus ou moins complexe. Un générateur d'ondes laser 100 est fixé sur un bâti 110 surélévateur afin, notamment, d'assurer la sécurité de l'opérateur et des personnels de l'atelier d'usinage. Le bâti surélévateur est constitué par une structure rigide solidement ancrée dans le sol de l'atelier. Le milieu actif du générateur d'ondes laser est constitué par une enceinte dans laquelle circule, un mélange de CO2, N2 et He et la longueur d'onde d'émission correspondante est de 10,6/ut. L'émission du faisceau laser est continue, elle peut être modulée, pulsée, ou son niveau de puissance peut être varié suivant une loi donnée. La puissance de sortie du générateur est comprise entre 50 W et 5 KW. Le générateur d'ondes laser incorpore très souvent, une source laser auxiliaire qui émet dans la partie visible du spectre optique pour permettre de matérialiser le faisceau d'énergie laser destiné à l'usinage. Le bras horizontal d'une potence 120 supporte un réflecteur optique 125 qui intercepte la totalité du rayonnement laser 105 émis par le générateur d'ondes laser 100. La fonction de ce réflecteur est de dévier le faisceau d'énergie laser de 900. Le pylone de la potence est équipé d'un support mobile 130 dont le positionnement vertical peut être varié.Ce support mobile porte une buse 150 qui permet de focaliser le faisceau laser incident sur l'élément 140 qui doit être usiné. Un banc de positionnement de l'élément 140 comporte un bâti rigide 160, solidement ancré dans le sol de l'atelier et un chariot 170 dont les fonctions sont de maintenir et de positionner l'élément 140 par rapport à la buse de rainurage. L'installation industrielle qui vient d'être décrite peut être différente, notamment le faisceau d'énergie laser peut être transmis horizontalement à la buse de rainurage. La commande du chariot de positionnement 170 peut être automatisée afin de reproduire les données de position fournies par un programme d'exécution du réseau préfragmenté. La figure 6 est une vue en coupe d'une forme de construction de la buse de rainurage 150 indiquée précédemment. Cette buse de rainurage est constituée par un corps de révolution 151 d'axe Z-Z', et elle comprend un canal d'entrée 152, dont le diamètre fL est sensiblement supérieur au diamètre #L du faisceau d'énergie laser, et un canal de sortie 153 de diamètre fc réduit. Le canal d'entrée et le canal de sortie sont reliés par un élément tronconique 154. A la base de cet élément tronconique est disposée une lentille focalisatrice 155 dont la fonction est de former la tache focale Pf située à l'extérieur du canal de sortie 153.Selon la distance focale de la lentille focalisatrice, le diamètre de la tache focale Pf peut être fixé entre 60 et 300/um; tandis que le diamètre du faisceau d'énergie laser d'entrée 105 est de l'ordre de 10mm. Le corps 151 de la buse de rainurage comporte un orifice d'alimentation en gaz 156, qui est relié à une source d'oxygène sous pression (non représentée) pour fournir un courant gazeux de débit contrôlé. La fonction de ce courant gazeux est d'accélérer, par réaction exothermique le processus de vaporisation du matériau de l'élément usiné, et, conjointement, de protéger la lentille optique 155 des projections éventuelles de métal et d'éjecter les scories résiduelles de la rainure au point d'usinage.Les paramètres du canal de sortie 153 la longueur Lc et le diamète fc doivent être optimisés pour assurer la coaxilité du courant gazeux et du faisceau laser afin d'insufler de façon optimale le gaz dans la vapeur métallique. La figure 7 est une courbe expérimentale qui montre, pour un acier particulier, le coefficient d'absorption Co du matériau en fonction de la puissance surfacique Ps au niveau de la tache focale Pf de la buse de rainurage. Cette courbe permet de distinguer trois régions délimitées par les températures de fusion Tf et de vaporisation Tv du matériau de l'élément qui doit être usiné: a) la région 1 correspond au processus de traitement thermique. b) la région 2 correspond au processus de soudure, et c) la région 3 correspond au processus général de découpage et en particulier au processus d'usinage de saignées. Cette courbe expérimentale dépend des propriétés physiques du métal, de la longueur d'onde du faisceau laser et elle peut varier avec l'angle de tir du faisceau laser, c'est-à-dire l'angle d'incidence avec la normale à la surface de l'élément qui doit être usiné. Les figures 8a et 8b montrent une virole métallique 4 cylindrique dans laquelle a été usiné un réseau de préfragmentation. Le treillis de saignées est formé par une pluralité de cercle. la, également espacés selon un pas P, ces cercles étant orthogonaux à l'axe de révolution X-X' de la virole, et, par une pluralité de saignées linéaires lb également espacées selon un pas P, ces saignées étant parallèles à l'axe X-X'. Les paramètres dimensionnels de la virole sont: la longueur L, les diamètres externes ~e et interne fi qui fixent l'épaisseur Ev de la paroi. Les paramètres du réseau de préfragmentation sont: la profondeur P et la largeur 1 des saignées. L'espacement entre les saignées équatoriales, ou pas P, peut être également défini par l'angle ~e indiqué sur la figure 2a. On peut noter, que les profondeurs des saignées équatoriales la et méridiennes lb peuvent être différentes, cette caractéristique étant également valable pour le pas P de chacune des familles de saignées. De telles viroles constituent le générateur d'éclats des charges militaires à effet d'éclats. Les figures 9a et 9b montrent une variante de réalisation d'un réseau de préfragmentation dans une virole 4'. Selon cette variante de réalisation les rainures sont hélicoTdales et leur inclinaison est définie par l'angle rph entre une génératrice de la virole et la tangente à la rainure. Les figures 10a et 10b montrent les principaux paramètres d'usinage des rainures sur la surface externe d'une virole. Sur la figure 10a qui se rapporte à l'usinage des rainures équatoriales; on voit que l'angle de tir ote edu faisceau laser de sortie de la buse de rainurage 150 est défini par l'angle entre la normale I à la vitesse linéaire phériphérique Ve de la virole et la direction de propagation Z-Z' du faisceau laser. Cet angle de tir est généralement inférieur à 400. La distance d entre la buse de rainurage 150 et la surface externe de la virole 4 doit être de l'ordre de quelques millimètres. La figure 10b se rapporte à l'usinage des rainures méridiennes lb; l'angle de tir Cm est sensiblement plus important que dans le cas de m l'usinage des rainures équatoriales. L'angle de tir du faisceau est un paramètre important, en effet, il conditionne, lors de l'opération d'usinage, l'évacuation des scories qui se forment dans la saignée. Toutefois, un angle de tir trop élevé peut entraîner un accroissement des pertes par réflexion et une augmentation de la profondeur d'usinage. Il parait avantageux de choisir un angle de tir faible. Dans le cas de viroles en un matériau tel que l'acier 20 MV6, et d'un réseau de préfragmentation avec des profondeurs de saignées de rordre de 10 mm et des largeurs de saignée de 0,3 mm, on a pu constater que la réduction de l'angle de tir permettait d'augmenter la vitesse d'exécution des saignées et d'assurer une meilleure régularité du fond et des parois des saignées, sans accroissement important des scories résiduelles emprisonnées dans la rainure.Des vitesses de rainurage de l'ordre de 50 à 80 cm par minute peuvent être obtenues avec un générateur d'ondes laser ayant une puissance de sortie d'environ IKW. Il est également nécesaire de contrôler le débit courant gazeux et de minimiser les turbulences si l'on recherche une bonne régularité des rainures. L'échauffement de la virole durant l'usinage est important, aussi, il peut être nécessaire d'adjoindre un moyen d'évacuation des calories. Dans le cas d'un réseau de préfragmentation constitué par des saignées hélicoîdales conjuguées, l'angle de tir du faisceau laser est constant par raison de symétrie. Chacune des saignées du réseau de préfragmentation peut être obtenue en une seule phase d'usinage, ou selon une variante par des passes d'usinage consécutives ou alternées. On voit maintenant plus clairement les avantages que procure l'invention, le procédé d'usinage peut être automatisé et du fait de la faible masse de matériau vaporisée, la durée d'exécution du réseau de préfragmentation est raisonnable. L'efficacité d'une charge militaire explosive comprenant un générateur d'éclats, exécuté selon l'invention, peut être notamment plus grande que celle des charges militaires de l'art antérieur. L'invention n'est pas limitée par la description d'une forme de mise en oeuvre du procédé et par les grandeurs quantitatives des principaux paramètres d'usinage, lesquelles ont été indiquées dans un but illustratif, mais nullement limitatif. Le procédé d'usinage trouve son application, dans la réalisation de rainures, notamment, dans des éléments dont la surface n'est pas développable. REVUE NDICATIONS 1. Procédé d'usinage d'un réseau de préfragmentation dans un élément métallique (2) en un matériau tel que l'acier, ce réseau de préfragmentation étant constitué par un treillis de saignées (3), caractérisé en ce qu'il consiste: à évporer localement le matériau selon les génératrices (la et lb) du réseau de saignées, par projection d'un faisceau d'énergie laser (105) localisé sur la surface de l'élément; à insuffler coaxialement au faisceau laser, un courant gazeux oxydant (02) afin, d'une part d'accélérer par réaction exothermique, le processus d'évaporation du matériau, et d'autre part, d'éjecter les scories de la saignée (3), et à contrôler le mouvement relatif de l'élément métallique (2) par rapport à la tache focale du faisceau d'énergie laser. 2. Procédé d'usinage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le faisceau d'énergie laser (I05) est fourni par un générateur d'ondes laser (100), dont le faisceau de sortie est couplé à une buse d'usinage (150), qui comprend: un canal d'entrée de section circulaire (152) dont le diamètre ~E est au moins égal au diamètre jL du faisceau laser, une lentille focalisatrice (155), un canal de sortie (153) de faible diamètre tc, destiné à canaliser un courant d'oxygène fourni par une source de gaz extérieure qui est connectée à un orifice d'entrée (156) située entre la lentille de focalisation et le canal de sortie de la buse et en ce que, l'axe longitudinal (Z-Z') de cette buse par rapport à la normale à l'élément détermine l'angle de tir (K ) du faisceau laser. 3. Procédé d'usinage selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'angle de tir (OC) du faisceau laser est un angle positif compris entre 20 et 400. 4. Générateur d'éclats pour charge militaire explosive comprenant une virole métallique (4) dans laquelle est réalisée un réseau de préfragmentation (1) formé par un treillis de saignée (3), caractérisé en ce que les saignées (3) ont été obtenues par le procédé d'usinage selon la revendication 1. 5. Générateur d'éclats selon la revendication 4, caractérisé en ce que les saignées (3) du réseau de préfragmentation (4) sont des saignées hélicoldales. 6. Générateur d'éclats selon la revendication 4, caractérisé en ce que le profil de la virole (4) portant le réseau de préfragmentation (1) est concave. 7. Générateur d'éclats selon la revendication 4, caractérisé en ce que le profil de Ja virole (4) portant le réseau de préfragmentation (1) est convexe.