Brevet FR2590823A1 — publié le 19870605

PROCEDE ET DISPOSITIF D'USINAGE DE FENTES ET GENERATEUR D'ECLATS POUR CHARGE MILITAIRE L'invention concerne un procédé et un dispositif permettant d'usiner à travers un élément métallique une série de fentes sur toute l'épaisseur de l'élément. Elle concerne également un géné rateur d'éclats métalliques pour charge militaire explosive, usiné selon le procédé, et destiné aux projectiles d'artillerie, aux bombes, aux grenades, aux têtes militaires des missiles ou objets similaires. 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 peut être obtenue par plusieurs moyens: a) par modulation de la détonation dans des générateurs homogènes, b) par des générateurs de structure hétérogène, c) par une préfragmentation complète, chacun des éclats étant collés ou soudés en entre deux viroles, d) par interposition d'un matériau inerte de forme appropriée entre le chargement explosif et la face interne du générateur d'éclats, e) par une préfragmentation partielle constituée par un treillis de rainures internes ou externes obtenues par usinage ou fonderie, ou par des enroulements crantés ou non, ou par des anneaux jointifs rainurés. En ce qui concerne le dernier cas cité, on connaît déjà différents procédés d'usinage permettant de former un réseau de préfragmentation par rainures dans un élément annulaire métallique. D'une part, ces procédés font appel aux techniques conventiormelles de tournage, de fraisage, de sciage, d'électro-érosion, et présentent certaines limitations qui sont les suivantes. La largeur des saignées ou des rainures doit être accrue lorsque l'on cherche à augmenter la profondeur de ces rainures, avec pour conséquence des durees d'usinage très importantes. Or, pour obtenir une efficacité satis faisante de la charge militaire, la largeur des rainures doit être minimisée. De plus, le rapport du volume total des copeaux ou fragments, au volume primitif de la matière de l'élément est trssp important. D'autre part, le fait que les anneaux soient entaillés à partir de l'une de leurs faces, a comme effet que leur éclatement par la pression de détonation a lieu précocement et que, par conséquent, les vitesses initiales des éclats sont limitées par l'exflltraticn précoce c'est-à-dire, l'échappement prématuré des gaz de détonation. L'invention a pour but de réaliser une fragmentation régulière et sans pertes, et sans limiter la vitesse initiale des éclats, en proposant un procédé et un dispositif d'usinage pour lesquels le taux de matière enlevée est minimisé, les temps d'usinage réduits, et qui permettent d'obtenir des anneaux jointifs dont les surfaces interne et externe ne sont pas affectées par la préfragmentation due à un rainurage. Un premier objet de l'invention consiste en un procédé d'usinage de fentes à travers un élément métallique de révolution définissant un axe longitudinal, permettant avantageusement de réaliser un générateur d'éclats, caractérisé en ce qu'il consiste pour chaque fente: - à faire un trou débouchant à travers ledit élément et parallèle audit axe en sublimant localement le métal par projection d'un faisceau laser focalisé dans l'élément métallique et en insufflant coaxialement audit faisceau laser un courant gazeux oxydant afin d'accélérer le processus d'évaporation du matériau - à déplacer ledit faisceau de façon à rendre ledit trou oblong, et former ainsi une fente selon une trajectoire déterminée. Un deuxième objet de l'invention est un dispositif d'usinage de fentes à travers un élément métallique caractérisé en ce qu'il comprend un générateur d'un faisceau laser, - une optique pour focaliser le laser, - une arrivée de courant gazeux oxydant débouchant en aval de l'optique - une buse d'usinage définissant un axe longitudinal, comprenant un support percé d'un canal dans lequel la lentille focalise le faisceau, un corps positionné radialement au support par un premier ajustement précis, et un embout amovible positionné dans ledit corps par un deuxième ajustement précis et possédant un canal de sortie coaxial avec ledit axe longitudinal adapté au diamètre du faisceau et destiné à canaliser sur ledit faisceau le courant oxydant. Un autre objet de l'invention consiste en un générateur d'éclats pour charge militaire explosive comprenant un empilage d'anneaux métalliques définissant un axe longitudinal, déterminant une fragmentation selon des plans perpendulaires audit axe, caractérisé en L'invention et ses différentes caractéristiques apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, illustrée des figures qui représentent - figure 1, l'usinage d'une fente dans un élément métallique selon le procédé conforme à l'invention, - figure 2, le schéma d'une partie du dispositif selon l'invention - figure 3, une vue relative à un anneau usiné radialement et utilisé selon l'invention, - figure 4, une vue représentant la structure d'un générateur d'éclats selon l'invention Sur la figure 1 représentant l'usinage d'une fente dans un élément métallique on distingue principalement l'élément métallique 2 de hauteur E, la fente 3 et une buse 4. Cette dernière permet de pointer un faisceau laser 6 sur l'élément métallique à usiner.Elle est fixée, de même qu'un générateur d'onde laser et une lentille focalisante 14, sur un bâti non représenté et constitué d'une structure rigide, solidement ancrée dans le sol Le milieu actif du générateur d'onde laser est constitué par une enceinte dans laquelle circule un mélange de C02, N et He. L'émission du faisceau laser est continue, elle peut être modulée, pulsée, son niveau peut être varié. Le choix de la longueur d'onde d'émission dépend de l'épaisseur de métal à traverser. Une longueur d'onde de 10,6 micromètres convient à une épaisseur de 5 millimètres. La puissance de sortie du générateur est comprise entre 50W et 5K W. Il est possible d'utiliser une source auxiliaire de lumière émettant dans la partie visible du spectre optique et permettant ainsi de matérialiser le faisceau laser destiné à l'usinage. La fixation et les déplacements de l'élément métallique 2 par rapport à la buse 4, sont obtenus à l'aide d'un banc de positionnement, non représenté, analogue à celui utilisé sur des machinesoutils telles que des centres d'usinage. Il est solidaire du bati de la machine et comporte un chariot dont les fonctions sont de maintenir et de positionner l'élément par rapport à la buse. La commande du chariot de positionnement peut être automatisée afin de reproduire avec précision les données de position fournies par un programme d'exécution. Les meilleures conditions d'usinage d'une fente exigent que le faisceau laser soit sensiblement perpendiculaire à la surface par laquelle il pénètre dans l'élément métallique. L'usinage s'effectue par échauffement, puis par sublimation du métal sous l'action du faisceau laser qui est focalisé à un endroit se situant sur la surface d'attaque de l'élément métallique. Le point focal du faisceau est ensuite plongé à travers l'élément de façon à percer ce dernier jusqu'à ce que le trou ainsi formé traverse l'élément sur toute sa hauteur. Si le faisceau laser se déplace parallèlement à la surface à une vitesse adéquate, le trou s'allonge selon la direction de déplacement du faisceau laser, et forme ainsi une fente. Le perçage initial du trou fait que l'extrémité 3A de la fente est légèrement plus large que le reste de la fente 3B. Le bâti de la machine comporte, outre la lentille 14 et la buse, une arrivée d'une alimentation en oxygène sous pression pour fournir un courant gazeux oxydant de débit contrôlé. La fonction de ce courant gazeux est de favoriser la réaction exothermique du processus de sublimation du matériau, et de protéger la lentille optique, focalisant le rayon laser, des projections éventuelles de métal. Il permet également, dans le cas d'usinage de fentes relativement profondes, d'éjecter les scories résiduelles au point d'usinage. La buse représentée à la figure 2, est constituée principalement d'un support 10 supportant un corps 20 à l'extrémité duquel un embout amovible 30 est vissé. Elle est fixée sur le bâti 9 qui supporte également le générateur d'un faisceau laser 6, une lentille de focalisation 14 et une arrivée de courant oxydant 5 entre la lentille et la buse. Cette dernière définit un axe longitudinal X qui est positionné selon l'axe du faisceau laser. Le support 10 est percé d'un trou central à l'intérieur duquel passe le faisceau laser focalisé. A l'intérieur de ce trou un taraudage 16 permet, la fixation du corps 20 par son embase filetée 22, et le réglage fin de la distance de la lentille 14 à l'extrémité de la buse en fonction du diamètre du faisceau laser 6. Le positionnement précis de ce corps par rapport au support, est réalisé par un ajustement précis 19 entre la surface interne d'une portée 18 du support et la surface externe 24 du corps. L'intérieur du corps est de préférence tronconique de manière à épouser la forme du faisceau laser focalisé. L'embout amovible 30 est positionné sur le corps 20 au moyen d'un deuxième ajustement précis entre les surfaces internes d'un épaulement 28 du corps, et une surface cylindrique externe 32 et une surface radiale 34 de l'embout amovible 30. L'intérieur de ce dernier est de préférence tronconique. L'extrémité de l'embout amovible 30 peut être également tronconique, mais moins large que sa base de façon à ménager une surface radiale de serrage 36. Cette dernière permet la fi tion de l'embout amovible sur le corps par l'intermédiaire d'une piece de serrage 40, se vissant sur un filetage externe du corps et s'appuyant sur ladite surface de serrage.Le caractère amovible de cette pièce a pour but de permettre l'interchangeabilité de plusieurs embouts afin de s'adapter à plusieurs faisceaux lasers et à plusieurs distances focales. Ces différents embouts amovibles utilisables possèdent tous un trou d'extrémité 38 dont le faible diamètre sert à canaliser sur la faisceau laser le courant d'oxygène fourni par la source de gaz extérieure 5. Selon la distance focale de la lentille, le diamètre de la tache focale peut être fixé entre 60 et 300 micromètres, tandis que le diamètre du faisceau laser d'entrée est de l'ordre de m. Ce montage à la fois précis et réglable par vissage du corps 2D sur le support 10 optimise la coaxialité du jet d'oxygène par rapport au faisceau laser. L'anneau représenté sur la figure 3 est une pièce constituflve d'un générateur d'éclats pour charge militaire explosive selon rin- vent ion. Des fentes radiales 50 ont été pratiquées sur tout le périmètre de l'anneau et sur la plus grande largeur possible. -Ces fentes traversent tout l'anneau mais ne débouchent ni sur la surface externe 56 de diamètre D ni la surface interne 55 de diamètre d de l'anneau. Aucun enlèvement de matière n'a été pratiqué sur rune de ces surfaces, ce qui contribue à une nette amélioration de la tenue mécanique de la pièce.Cette amélioration se concrétise par l'augmentation très nette du rendement de la fragmentation Ce rendement est nettement supérieur à celui obtenu avec des généra teurs d'éclats dont la fragmentation est obtenue avec un réseau de rainures pratiquées sur l'une ou les deux surfaces internes ou externes. Il est possible de choisir le pas de réalisation de ces fentes ce qui permet d'obtenir une masse d'éclats déterminée. I; nage au moyen du rayon laser tel qu'il est décrit précédemment permet l'obtention de fentes de très faible largeur, par exemple ssnfiérieures à 0,5mu; la masse de matière perdue pendant l'usinage s'en trouve très réduite. La nature du matériau de l'élément, ses caractéristiques physiques particulières, notamment sa conductibilité thermique, son pouvoir absorbant et sa réactivité à l'oxygène sont à prendre en compte pour la mise en oeuvre du procédé d'usinage selon l'invention. L'invention procure d'autres avantages. Le procédé d'usinage peut etre automatisé. Les fentes étant très étroites, la faible masse de matériau sublimé, et la vitesse d'usinage rendent la réalisation d'une telle préfragmentation relativement aisée et rapide. A titre indicatif, pour l'usinage de fentes dans des anneaux de diamètre avoisinant 150mm, et d'épaisseur de Smm, on utilise un faisceau laser de puissance égale à 2,5Kw, de longueur d'onde égale à l0,6micromètoes, à répartition d'énergie multimode. L'oxygène est insufflé à l'intérieur de la buse à 0,7bars. En utilisant une vitesse de déplacement de l,5m par minute, le temps de perçage du trou initial est de 0,2 seconde et le temps d'usinage d'une fente de longueur égale à 9mm est d'une seconde. L'invention ne se limite pas à la description d'une forme de mise en oeuvre du procédé et par les grandeurs quantitatives des principaux paramètres d'usinage qui ont été indiqués dans cet exemple Sur la figure 4, le générateur d'éclats est constitué par un empilage de plusieurs anneaux métalliques 60 dans lesquels on a pratiqué une série de fentes radiales 50. Cet empilage forme un corps de révolution d'axe Y à l'intérieur duquel est placée une charge explosive non représentée. La fragmentation longitudinale de ce générateur est donc assurée par les fentes, tandis que la fragmentation perpendiculaire à l'axe longitudinal du générateur d'éclats est assurée du fait même de l'empilage des anneaux. Pour assurer un taux de gonflement satisfaisant au moment de l'explosion de la charge, il est nécessaire d'assurer une étanchéité minimale entre les anneaux par une virole mince placée sur les surfaces internes des anneaux. L'empilage est terminé à ses deux extrémités par un fond non représenté, fermant le corps du générateur d'éclats. L'empilage représenté à la figure 4 est cylindrique ; d'autres formes de révolution, concaves ou convexes, peuvent être imaginées pour réaliser de tels générateurs d'éclats. REVENDICATIONS 1. Procédé d'usinage de fentes (3) à travers un élément métallique de révolution (2) définissant un axe longitudinal (Y) permettant avantageusement de réaliser uu générateur d'éclats, caractérisé en ce qu'il consiste pour chaque fente - à faire un trou débouchant (3A) à travers ledit élément et parallèle audit axe en sublimant localement le métal par projection d'un faisceau laser (6) focalisé dans l'élément métallique et en insufflant coaxialement audit faisceau laser un courant gazeux oxydant afin d'accélérer le processus de sublimation du matériau - à déplacer ledit faisceau de façon à rendre ledit trou oblong, et former ainsi une fente selon une trajectoire déterminée. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le faisceau est orienté sensiblement perpendiculairement à la surface de l'élément (2) à attaquer. 3. Dispositif d'usinage de fentes (3) à travers un élément métallique (2), caractérisé en ce qu'il comprend - un générateur d'un faisceau d'onde laser (6), - une optique (14) pour focaliser le laser, - une arrivée (5) de courant gazeux oxydant débouchant en aval de l'optique, - une buse d'usinage (4) définissant un axe longitudinal (X), comprenant un support (10) percé d'un trou central dans lequel la lentille focalise le faisceau, un corps (20) positionné radialement au sppport par un premier ajustement précis (19), et un embout amovible (30) positionné dans ledit corps par un deuxième ajustement précis et possédant un canal de sortie (38) coaxial avec ledit axe longitudinal adapté au diamètre du faisceau et destiné à canaliser sur ledit faisceau le courant oxydant. 4. Dispositif d'usinage selon la revendication 3, caractérisé en ce que la distance de la lentille (14) au canal de sortie (38) est réglable au moyen d'un taraudage (16) à l'intérieur du support (10) dans lequel se visse le corps (20) par une embase filetée (22). 5. Dispositif d'usinage selon la revendication 3 ou 4 caractérisé en ce que l'embout amovible (30) est fixé sur le corps (20) par une pièce de blocage (40) se vissant sur un filetage externe (26) du corps et plaquant l'embout amovible contre une surface radiale (28) dudit corps. 6. Générateur d'éclats pour charge militaire explosive comprenant un empilage d'anneaux métalliques (60) définissant un axe longitudinal (Y), déterminant une fragmentation selon des plans perpendiculaires audit axe, caractérisé en ce que chaque anneau possède des fentes oblongues (50) traversant l'anneau mais ne débouchant ni sur la surface interne (55) ni sur la surface externe (56) et déterminant une préfragmentation selon des plans passant par l'axe de la charge.