Brevet FR2590821A1 — publié le 19870605

Cette invention concerne un porte-outil pour tarauder et aléser par le procédé à coupe vibrée, porte-outil qui peut être utilisé sur une taraudeuse, une aléseuse, une machine universelle d'usinage et ainsi de suite. Le taraudage conventionnel ne se fait pas avec suffi- samment de douceur pour une évacuation convenable des copeaux. De plus, le taraud risque facilement de se rompre sous la forte résistance opposée.à la coupe. Pour ces raisons, l'opération de taraudage par les moyens conventionnels est considérée comme étant de nature à poser des problèmes et une attention particulière est nécessaire pour réaliser des taraudages de petit diamètre. Différentes recherches ont été effectuées pour faciliter les opérations de taraudage et un procédé d'usinage à coupe vibrée a été mis au point, que l'on considère actuellement comme le procédé le plus efficace. Dans ce procédé, l'outil de coupe (ou-Le taraud) ou la pièce usinée est animé d'un mouvement forcé de vibration ou d'oscillation. Il est bien connu dans ce domaine technique que lorsque ce procédé est appliqué, la résistance théorique opposée à la coupe est réduite, l'évacuation des copeaux est améliorée, on peut obtenir des taraudages satisfaisants exempts de barbes et même des taraudages de petit diamètre peuvent être réalisés faci- lement. Une grande variété de taraudeuses, aléseuses, porte-outils et ainsi de suite, qui appliquent le procédé à coupe vibrée, ont été développés. Cependant, avec les dispositifs de l'art antérieur, on fait tourner l'outil de coupe pendant que l'on anime la pièce d'une oscillation et des sources d'entraînement séparées sont prévues pour faire tourner l'outil et faire osciller ou vibrer la pièce. Pour cette raison, ces dispositifs possèdent inévitablement une construc- tion compliquée et un grand encombrement. On a également mis au point un dispositif qui utilise une source d'entraînement unique pour la rotation et l'oscillation de l'outil de coupe. Toutefois, dans ce cas, la rotation et l'osciltation de l'outil ne s'effectuent pas en douceur. De plus, la vitesse d'oscillation est voisine de la vitesse de rotation. Il s'ensuit qu'il est impossible d'obtenir les effets théoriquement réalisables par la vibration. L'utilité pratique de ce dispositif est donc douteuse et son application dans la pratique est par ailleurs très difficile. La présente invention est basée sur une longue étude du procédé d'usinage à coupe vibrée et sur l'établissement d'une théorie de ce procédé. De plus, des recherches ont été poursuivies dans le but de mettre la théorie en pratique. Le résultat est un porte-outil, objet de l'invention, qui permet de tarauder et d'aléser selon le procédé à coupe vibrée et permet d'exploiter les effets bénéfiques de ce procédé de manière satisfaisante. Ce porte-outil est utilisable dans une taraudeuse, une aléseuse, une machine univer- selle d'usinage et ainsi de suite. Selon l'invention, un tel porte-outil comprend, dans un carter, un réducteur de vitesse formé par une structure à trois couches coaxiales, consistant en un générateur d'ondes, une pièce cannelée flexible et une pièce cannelée circulaire, le générateur d'ondes étant accouplé à un arbre moteur dépassant d'une extrémité du carter et recevant un couple d'entraînement de l'extérieur, l'une des pièces cannelées étant fixée au carter et L'autre constituant l'élément de sortie du réducteur de vitesse, un support rotatif fixé à cet élément de sortie, un arbre porte-outil supporté par une extrémité avant de ce support rotatif, de manière que l'arbre porte- outil soit coaxial à l'arbre moteur, l'arbre porte-outil dépassant par une extrémité avant du carter, un arbre-manivelle monté dans la paroi interne du support rotatif, de manière que cet arbre- manivelle puisse tourner librement autour de son axe en un point excentré par rapport à l'arbre moteur, des bras de manivelle fixés aux deux bouts de l'arbre-manivelle, l'un de ces bras étant accouplé excentriquement au générateur d'ondes et l'autre bras de manivelle étant accouplé excentriquement à l'extrémité arrière de l'arbre porte-outil, sur des axes d'accouplement respectifs qui sont excentrés l'un par rapport à l'autre, l'agencement étant tel que l'arbre porte-outil est animé d'une oscillation ou vibration, sous l'effet de la rotation du générateur d'ondes et par l'intermédiaire des bras de manivelle et de l'arbre- manivelle, et que, en même temps, l'arbre porte-outil est animé d'une rotation par l'élément de sortie du réducteur de vitesse et par l'intermédiaire du support rotatif. Lorsque l'arbre moteur est tourné par un couple appliqué de l'extérieur, le support rotatif, fixé à la pièce cannelée flexible ou à la pièce cannelée circulaire, constituant l'élément de sortie du réducteur de vitesse, est tourné à une vitesse réduite prédéter- minée. Ce support fait tourner avec lui l'arbre porte-outil, supporté par l'extrémité avant du support rotatif. Simultanément, sous l'effet de La rotation du générateur d'ondes, qui est tourné à grande vitesse du fait qu'il reçoit directement la grande vitesse de rotation de l'arbre moteur, L'arbre porte-outil est animé d'un mouvement d'oscillation ou de vibration à haute vitesse, dans le sens circonférentiel, par l'intermédiaire d'un première bras de manivelle, de l'arbre-manivelle et du deuxième bras de manivelle. Ainsi, l'arbre porte-outil est tourné lentement et conjointement avec le support rotatif et il est en même temps animé d'un mouve- ment de vibration à haute vitesse autour de son axe. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de plusieurs exemples de réalisation non limitatifs, ainsi que des dessins annexes, sur lesquels: - la figure 1 est la coupe axiale d'un porte-outil selon un premier mode de réalisation de l'invention; - la figure 2 est une coupe axial d'un porte-outil selon un autre mode de réalisation de l'invention; et - la figure 3 est une vue en perpective éclatée d'une partie du porte-outil de la figure 1. La figure 1, décriteci-après enpremier, montre un porte- outil selon L'invention utilisé pour une machine universelle d'usi- nage. Sur cette figure, la référence 1 désigne un arbre moteur, c'est-àdire un arbre d'entraînement, qui pénètre axialement dans un carter 2. L'arbre moteur 1 est relié à un arbre principal 3 de la machine universelle d'usinage et est tourné conjointement avec lui. La référence 4 désigne un réducteur de vitesse, qui est relié à l'arbre moteur 1 dans le carter 2 et est destiné à réduire la vitesse de rotation de cet arbre. Le réducteur 4 est du type à engrènement flexible et possède une structure à trois couches coaxiales, consis- tant en un générateur d'ondes 5, une pièce cannelée flexible 6 et une pièce cannelée circulaire 7. Le réducteur permet un rapport de démultiplication important et il peut être du type "HARMONIC DRIVE" (marque déposée). Le générateur d'ondes du réducteur 4 est relié à l'arbre moteur 1 et constitue l'éLément d'entrée. L'une des pièces cannelées 6, 7 est stationnaire et l'autre constitue l'élément de sortie du réducteur. Dans ce mode de réalisation, la pièce cannelée flexible 6 est stationnaire et la pièce cannelée circulaire 7 constitue l'élément de sortie. La référence 8 désigne une pièce cannelée circulaire servant à la fixation de la pièce flexible 6. Cette pièce 8 est fixée au carter 2. La référence 9 désigne un support rotatif qui est fixé à la pièce cannelée circulaire 7 formant l'élément de sortie du réducteur de vitesse 4. Une extrémité avant du support rotatif 9, représentée en bas sur la figure 1, porte un filetage intérieur 10 qui est coaxial à l'arbre moteur 1 et au générateur d'ondes 5. Le pas de ce filetage n'a pas beaucoup d'importance dans le cas d'une opération de perçage ou d'alésage, mais il doit être le même que celui du filet à former dans le cas d'une opération de taraudage. Un arbre porte-outil 11 est vissé dans le filetage intérieur 10, de manière qu'une partie avant - qui est la partie inférieure sur les dessins annexés - de l'arbre 11 dépasse du carter 2. Un arbre-manivelle 12 est monté dans la paroi interne du support rotatif 9, de manière qu'il soit excentré par rapport à l'arbre moteur I et au générateur d'ondes 5 et qu'il puisse tourner autour de son axe. Ainsi que l'on peut le voir également sur la figure 3, des bras de manivelle 13 et 14 sont fixés aux deux bouts de l'arbre-manivelle 12. Le bras 13 est accouplé au générateur d'ondes 5, tandis que le bras 14 est accouplé à l'arbre porte-outil 11, de manière que les axes d'accouplement respectifs soient excentrés l'un par rapport à l'autre. Le bras de manivelle 13 possède une glissière longitudinale 15. Le générateur d'ondes 5 porte un maneton excentré 16. Une pièce coulissante 17 est ajustée sur le maneton 16 et est reçue dans la glissière 15 du bras de manivelle 13, o elle peut coulisser avec peu de frottement. Lorsque le générateur d'ondes 5 est tourné, la pièce 17 est animée d'une rotation, pendant qu'elle coulisse dans la glissière 15 du bras de manivelle 13. La rotation de la pièce 17 fait osciller le bras 13, autour de l'axe de L'arbre-manivelle 12, d'un angle qui correspond à l'excentricité du maneton 16. Le bras 14, prévu à l'autre bout de L'arbre-manivelle 12, porte un maneton 18 qui est excentré par rapport à l'axe de l'arbre-manivelle 12 et de l'axe de l'arbre porte-outil 11 vissé dans l'extrémité avant du support rotatif 9. Une pièce coulissante 19 est ajustée sur le maneton 18. Un arbre de transmission 20 est supporté par le support rotatif 9, de manière à pouvoir tourner autour de son axe, lequel est aligné avec l'axe de l'arbre porte-outil 11. Une extrémité de l'arbre de transmission 20 est formée par une tête pourvue d'une glissière 21, orientée paral- lèlement au bras de manivelle 14, et la pièce 19 est reçue dans cette glissière, le long de laquelle est peut coulisser avec peu de frot- tement. Lorsque l'arbre-manivelle 12 est animé d'une oscillation autour de son axe, par l'intermédiaire du bras de manivelle 13 et sous l'effet de la rotation du générateur d'ondes 5, le bras de manivelle 14 est également oscillé.autour de l'arbre-manivelle 12. De même, la pièce coulissante 19 oscille en coulissant dans la glissière 21. L'oscillation de la pièce 19 provoque l'oscillation de l'arbre de transmission 20 autour de son axe. L'autre extrémité de l'arbre de transmission 20 est accouplée à l'extrémité arrière de l'arbre porte-outil 11. Plus précisément, l'arbre porte-outil 11 présente une cavité axiale 22 de section angulaire, dans laquelle est reçue une queue axiale 23 de l'arbre de transmission 20, possédant une section angulaire complémentaire à celle de la cavité 22 et pouvant coulisser dans celle-ci. Lorsque l'arbre moteur 1 est tourné, le support rotatif 9, fixé à la pièce cannelée circulaire 7 constituant l'élément de sortie du réducteur de vitesse 4, est tourné à une vitesse réduite prédé- terminée, ce qui fait tourner également l'arbre porte-outil 11 vissé dans le filetage intérieur 10 de l'extrémité avant du support rotatif 9. En même temps, la rotation du générateur d'ondes 5, recevant directement la haute vitesse de rotation de l'arbre moteur 1, fait osciller à grande vitesse l'arbre porte-outil 11 dans le sens circonférenciel, par l'intermédiaire du bras de manivelle 13, de L'arbre-manivelLe 12, du bras de manivelle 14 et de L'arbre de transmission 20. L'arbre porte-outil 11 est donc tourné lentement, conjointement avec le porte-outil rotatif 9, et est simultanément animé d'une oscillation à grande vitesse, laquelle est transmise par la queue 23 de l'arbre de transmission 20 et est orientée dans la direction de l'angle d'attaque du filetage intérieur 10. En haut, le porte-outil de figure I comporte un appendice de tirage 24. Les références 25, 26 et 27 désignent des écrous, Les références 28 et 29 désignent des roulements, 30 et 31 sont des joints d'huile et 32 est un mandrin prévu à l'extrémité avant de l'arbre porte-outiL 11. La référence 33 désigne un élément destiné à empêcher la rotation de L'ensemble du porte-outil, étément qui est prévu sur la paroi externe du carter 2. Lorsque Le porte-outil est mis en place sur l'arbre principal 3 de la machine outit, l'élément antirotation 33 s'ajuste sur un bloc de positionnement 34 prévu sur la machine, ce qui empêche la rotation du carter 2. La référence 35 désigne un coussinet. Au cas o Le porte-outil qui vient d'être décrit est utilisé surunemachine universeLle d'usinage pour réaliser des taraudages, le pas du filetage intérieur 10 dans l'extrémité avant du support rotatif 9 est choisi égal au pas du filetage à réaliser (comme on peut Le voir sur Le dessin, le fiLetage 10 est prévu dans une pièce montée interchangeable à L'extrémité avant ou inférieure du support rotatif 9). Un taraud, non représenté, est fixé dans le mandrin 32 et la rotation de L'arbre principal 3 de La machine-outil fera tourner ce taraud, Lequel est en même temps animé d'une oscilla- tion ou vibration à haute vitesse, dans La direction de l'angle d'attaque du filetage intérieur 10, ainsi que d'une avance ou d'un recul dans Le sens de La hauteur (dans la représentation des dessins annexés) produit par la machine-outil en conformité avec le pas du filetage à réaliser. Une opération de perçage ou d'alésage est exécutée de manière semblabLe, mais il n'est pas nécessaire de tenir compte, dans ce cas, du pas du filetage intérieur 10. La figure 2 représente un porte-outil selon un autre mode de réalisation de L'invention, utiLisé sur une taraudeuse ou une aléseuse. La structure de base de ce porte-outil est la même que cette du mode de réalisation précédent, représenté sur la figure 1. Pour cette raison, des pièces identiques ou semblables à celles de ce mode de réalisation précédent sont désignées par les mêmes références et ne seront pas décrites en détail une nouvelle fois. Ce qui suit porte donc essentiellement sur la différence entre les deux modes de réalisation. Un arbre moteur i est relié, soit directement, soit indirectement à un moteur 36 prévu dans le bâti 39 d'une taraudeuse ou d'une aléseuse. Un arbre porte-outil 11 est supporté par l'extré- mité avant d'un support rotatif 9, de manière à pouvoir être entraîné en rotation autour de son axe et à pouvoir être déplacé axialement; l'extrémité avant de cet arbre dépasse d'un carter 2. L'arbre 11 est vissé à cet endroit dans un filetage intérieur 37 qui est coaxial à l'arbre moteur 1 et est prévu dans le carter 2, plus précisément dans une pièce fixée amovible à l'extrémité avant (extrémité inférieure) du carter. Lorsque le moteur 36 fait tourner l'arbre 1, le support rotatif 9, fixé à une pièce cannelée circulaire 7 formant l'élément de sortie d'un réducteur de vitesse 4, est tourné à une vitesse réduite prédéterminée. La rotation du support 9 fait tourner l'arbre porte-outil 11 autour de son axe, par l'intermédiaire d'un arbre- manivelle 12, d'un bras de manivelle 14 et d'un arbre de transmis- sion 20. Comme l'arbre 11, tourné de cette manière, est vissé dans le filetage intérieur 37 à l'extrémité du carter 2, l'arbre 11 est en même temps déplacé axialement, suivant le pas du filetage inté- rieur 37. Plus précisément, l'arbre porte-outil 11 est reculé et avancé axialement pendant qu'il est tourné dans un sens ou dans l'autre par le moteur 36, dont le sens de rotation est inversé en conséquence. Simultanément, la rotation du générateur d'ondes 5, recevant directement la haute vitesse de rotation de l'arbre moteur 1, imprime une haute vitesse d'oscillation à l'arbre porte-outil 11 dans le sens circonférenciel, par l'intermédiaire du bras de mani- velle 13, de l'arbre-manivelle 12, du bras de manivelle 14 et de l'arbre de transmission 20. Par conséquent, l'arbre porte-outil 11 est avancé axialement pendant la marche avant du moteur 36 et il est reculé pendant la marche arrière de celui-ci, pendant qu'il est 259082-1 tourné lentement par l'intermédiaire du support 9. -Par la queue 23 de l'arbre de transmission 20, il est animé en même temps d'une oscillation circonférencielle de grande vitesse, dans la direction de l'angle d'attaque du filetage intérieur 37. La référence 38 désigne un élément servant à la fixation du porte-outil au bâti 39 de la machine. L'élément 38 sert également à empêcher la rotation du carter 2. Lorsque ce porte-outil est utilisé dans une taraudeuse pour une opération de taraudage, on monte au bout du carter 2 une pièce à filetage intérieur 37 dont le pas correspond à celui du taraudage à réaliser. Au cas o le porte-outil est utilisé dans une aléseuse pour des opérations de perçage ou d'alésage, le pas du filetage 37 n'a pas d'importance. La position de l'arbre porte-outil 11 - avançant et reculant pendant qu'il tourne - peut être détectée par le comptage du nombre de tours, à l'aide d'un compteur. Il est possible, en plus, de prévoir un interrupteur de fin de course correspondant à l'avance maximale et un autre interrup- teur de fin de course correspondant au recul maximal de cet arbre. Le porte-outil décrit permet d'animer l'outil de coupe d'une rotation et d'une oscillation en douceur. De plus, comme le réducteur de vitesse prévu selon l'invention possède un raport de démultiplication élevé, une grande différence de vitesse peut être créée entre la rotation et l'oscillation ou vibration, ce qui permet d'obtenir effectivement les effets bénéfiques que la théorie de la coupe vibrée présage. En outre, la construction est simple, de sorte qu'il est possible de réduire l'encombrement et le poids, ce qui permet une manipulation aisée. De plus, comme l'arbre primaire et l'outil de coupe sont situés sur le même axe, l'invention est appli- cable aussi bien à une machine universelle d'usinage qu'à une tarau- deuse ou une aléseuse. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux formes de réalisation décrites et l'homme de l'art pourra y apporter diverses modifications, sans pour autant sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1. Porte-outil pour le taraudage et l'alésage selon le procédé d'usinage à coupe vibrée, utilisable notamment dans une taraudeuse, une aléseuse ouune machine universelle d'usinage, caractérisé en ce qu'il comprend, dans un carter (2),-un réduc- teur de vitesse (4) formé par une structure à trois couches coaxiales consistant en un générateur d'ondes (5),une pièce cannelée flexible (6) et une pièce cannelée circulaire (7), Le générateur d'ondes étant accouplé à un arbre moteur (1) dépassant d'une extrémité du carter (2) et recevant un couple d'entraînement de l'extérieur, l'une (6) des pièces cannelées étant fixée au carter et l'autre (7) constituant l'élément de sortie du réduc- teur de vitesse (4), un support rotatif (9) fixé à cet élément de sortie, un arbre porte-outil (11) supporté par une extrémité avant de ce support rotatif, de manière que l'arbre porte-outil soit coaxial à l'arbre moteur (1), l'arbre porte-outil (11) dépassant par une extrémité avant du carter (2), un arbre- manivelle (12) monté dans la paroi interne du support rotatif (9), de manière que cet arbre-manivelle puisse tourner librement autour de son axe en un point excentré par rapport à l'arbre moteur (1), des bras de manivelle (13, 14) fixés aux deux bouts de l'arbre- manivelle, l'un (13) de ces bras étant accouplé excentriquement au générateur d'ondes (5) et l'autre bras de manivelle (14) étant accouplé excentriquement à l'extrémité arrière de l'arbre porte- outil (11), sur des axes d'accouplement respectifs qui sont excentrés l'un par rapport à l'autre, l'agencement étant tel que l'arbre porte- outil (11) est animé d'une oscillation ou vibration, sous l'effet de la rotation du générateur d'ondes (5) et par l'intermédiaire des bras de manivelle (13, 14) et de l'arbre-manivelle (12), et que, en même temps, l'arbre porte- outil (11)-est animé d'une rotation par l'élément de sortie (7) du réducteur de vitesse (4) et par l'intermédiaire du support rotatif (9). 2. Porte-outil selon la revendication 1, dans lequel une extrémité avant du support rotatif (9) porte un filetage intérieur (10) qui est coaxial à l'arbre moteur (1) et dans lequeL est vissé l'arbre porte-outil (11). 3. Porte-outil selon la revendication 1, dans lequel l'arbre porte-outil (11) est supporté, par l'extrémité avant du support rotatif (9), de manière que cet arbre (11) soit déplaçable axialement, et l'extrémité avant du carter (2) porte un filetage intérieur (37) qui est coaxial à l'arbre moteur (1) et dans lequel est vissé l'arbre porte-outil (11).