Brevet FR2643002A1 — publié le 19900817

BROCHE PORTEXUllL POUR USINAGE DE PRECISION De manière générale, l'invention concerne une broche porte-outil pour machine d'usinage de précision. D'une manière particulière, et donc non exclusive, l'invention concerne une broche porte-outil pour machine à rectifier les sièges de soupape de moteurs thermiques, par exemple moteurs à combustion à essence. Par "machine", on entend tout dispositif, équipement, ou système, allant de Iroutillage à main, et par conséquent léger, à la machinesutil, et, par conséquent, massif et lourd. L'invention est maintenant introduite, expliquée, décrite et définie par référence à une machine pour rectifier les sièges de soupape, étant entendu encore une fois qu'elle peut s'appliquer à toute autre machine d'usinage de précision. Selon le brevet européen EP-C-O 022 796 dont la description est intégrée en cas de besoin à la présente demande de brevet, on a décrit une broche porte-outil, asservie à une table ayant un déplacement horizontal selon deux axes, et dans laquelle la broche est apte à coulisser dans un fourreau pourvu d'une noix sphérique d'orientation portée par un coussin d'air. Cette broche présente, à son extrémité libre ou nez, un porte-outil auquel est fixé l'outil de coupe, et une tige coaxiale destinée à être introduite dans le guide de la soupape dont on veut rectifier le siège. Grâce à la sustentation par coussin d'air, la broche, et plus précisément -la tige-pilote, peuvent s'incliner, se centrer librement et automatiquement avec une grande précision dans l'axe réel du guide de soupape. Dans une forme préférée d'exécution de la broche porte-outil, fabriquée et commercialisée par la Demanderesse, le porte-outil est monté de manière amovible sur le nez de la broche. A cette fin, il comporte un étrier adapté en forme et dimensions extérieures au nez de la broche, et en forme et dimensions intérieures à celles d'une nervure droite interne, obtenue par évidement du nez dans un même plan transversal, perpendiculaire à ltaxe de rotation, à partir de deux côtés opposés de la broche. Cet étrier est solidaire d'une jambe s'étendant pour l'essentiel parallèlement à l'axe de rotation, et comportant dans un plan radial, c'est-à-dire passant par l'axe de rotation de la broche, un logement adapté pour l'outil de coupe ou taille proprement dit, substantiellement plan, du type plaquette de coupe, en carbure par exemple. Une telle broche permet d'obtenir, en général, non seulement une bonne coaxialité du siège de soupape avec l'axe du guide, mais aussi un bon état de surface du siège. La Demanderesse, après avoir exploité les principes techniques décrits précédemment pour des machines relativement lourdes, du type machine-outil, s'est intéressée plus récemment à la mise en oeuvre des mêmes principes pour des machines plus légères, voire de l'outillage à main. Pour ces nouvelles applications, certaines contraintes non explorées auparavant ont été mises en évidence - la vitesse de rotation de la broche est en général plus faible que dans les machines antérieures; en particulier, la vitesse de coupe recommandée pour un usinage avec plaquette en carbure n'est jamais atteinte, cette vitesse peut aussi être irrégulière, en particulier, en cas d'entraînement manuel de la broche ; - le couple appliqué à l'outil de coupe peut être aussi irrégulier - et la relative légèreté de la structure de la machine, en particulier pour de l'outillage à main, ne permet pas de fixer de manière rigoureuse la position de l'outil de coupe, en particulier pendant sa phase de travail, qu'il s'agisse d'une passe d'ébauche, ou d'une passe de finition. Ces contraintes, manifestes pour des machines relativement légères, existent néanmoins pour des machines relativement lourdes, mais à un moindre degré évidemment. Pour des machines légères, les contraintes précitées conduisent à un travail en coupe dont les conditions et résultats d'usinage sont aléatoires et différents - tantôt, il faudra exercer un couple important sur la broche, - tantôt, la lame de coupe aura tendance à s'engager dans le métal ou à refuser tout contact avec la surface d'usinage ; - tantôt, les états de surface obtenus seront défectueux, - etc... Pour un travail en lamage, c'est-à-dire avec une seule lame, les contraintes explicitées précédemment sont accrues par le fait qu'il n'existe aucune contre-lame équilibrant l'effort de coupe. La présente invention se propose de remédier aux inconvénients précités. L'invention a pour objet un porte-outil permettant d'obtenir un usinage de précision, c'est-à-dire régulier et reproductible, lorsque l'une quelconque des contraintes discutées précédemment est présente. Selon l'invention, de manière essentielle, on a découvert que l'on pouvait obtenir un usinage de précision, sous l'une quelconque des contraintes précitées, en faisant varier l'angle de coupe de l'outil de coupe, par exemple de la lame, par rapport à un plan radial de référence passant par l'axe de rotation de la broche, et ce selon l'effort de coupe exercé pendant l'usinage sur le porte-outil ou la lame de coupe, ce qui revient au même. Et cette variation consiste, selon l'invention, à donner une position positive, c'està-dire en avant du plan radial de référence, dans le sens de rotation de la broche, pour un effort de coupe relativement faible, et une position négative, c'est-à-dire en arrière du même plan, pour un effort de coupe relativement important. Une telle approche du travail en coupe ou en taille va à l'encontre des considérations généralement retenues par le spécialiste de l'usinage, selon lesquelles l'usinage de précision passe par une fixation et un positionnement rigides de l'outil de coupe. Préférentiellement, selon l'invention on choisit des moyens variant automatiquement la position de l'angle de coupe, comme indiqué précédemment, en fonction de l'effort de coupe. Ainsi, selon l'invention, le porte-outil comprend des moyens de flexibilité angulaire, d'une part permettant une mobilité angulaire de l'outil de coupe par rapport à un axe transversal, ctest-à-dire perpendiculaire ou orthogonal à l'axe de rotation de la broche, et d'autre part rappelant l'outil de coupe vers une position positive, c'est-à-dire en avant du plan radial déterminé par l'axe de rotation de la broche et passant par ltoutil de coupe, dans le sens de rotation de la broche. Ces moyens dits de flexibilité angulaire peuvent etre agencés selon différents modes aisément accessibles à l'homme de métier. Ces moyens peuvent être associés au porte-outil, mais différents de ce dernier. Ils peuvent être aussi intégrés à ce dernier. Par ailleurs, comme indiqué précédemment, il doit être entendu que les moyens caractérisant l'invention, quoique s'expjimant de manière significative pour des machines relativement légères, peuvent être appliqués à des machines plus lourdes travaillant en lamage, pour obtenir aussi des résultats significatifs également dans ce cas. La présente invention est maintenant décrite par référence aux dessins annexés, dans lesquels - la Fig. 1 représente une vue en perspective d'une broche porte-outil conforme à l'invention, en position dans un siège de soupape appartenant à un moteur thermique, pendant une phase de rectification de ce dernier, par exemple pendant une passe de finition de ce même siège - la Fig. 2 représente une vue frontale de la broche représentée à la figure 1, la position et la géométrie du siège à rectifier étant représentées par des traits pleins - la Fig. 3 représente une vue en coupe selon la ligne III-III de la figure 2 de la broche représentée à cette dernière ; de la même manière qu'à la figure 2, le siège à rectifier a été représenté en forme et en dimensions, par des traits pleins ; - la Fig. 4 représente une vue de la broche représentée à la figure 2, selon la direction d'observation identifiée sur cette dernière par la flèche IV; - les Fig. 5 à 8 représentent respectivement trois autres modes d'exécution de la broche porte-outil selon l'invention, en coupe verticale parallèle à l'axe de rotation de la broche. De manière connue en soi, et en particulier par référence au brevet européen Ep- & 0022796, la broche (1) est susceptible, d'une part de tourner autour de son axe de rotation (2), comme indiqué par la flèche A, et d'autre part de se déplacer en translation de haut en bas ou de bas en haut, comme indiqué par la flèche B de la figure 1. Cette broche est entraînée en rotation par des moyens moteurs non représentés, et elle peut être au préalable positionnée dans l'espace par les moyens décrits dans le brevet précité, c'est-à-dire par la combinaison d'un déplacement dans un plan horizontal et d'une orientation autour du centre d'une sphère sustentée sur coussin d'air.Ce positionnement intervient par ailleurs au moyen d'une tige pilote représentée à la référence numérique 50, disposée à l'extrémité libre de la broche, selon son axe de rotation, et trouvant automatiquement l'axe réel du guide de tige de soupape, pendant la phase de sustentation de la sphère. A l'extrémité libre (3) de la broche est monté un adaptateur (4), ayant une forme de révolution, et comportant une partie de fixation en forme de cône, non représentée. Un porte-outil (5) est fixé de manière amovible sur l'adaptateur (4). Ce porte-outil comporte deux parties, à savoir, d'une part une partie (5a) en forme d'étrier, emboîtée perpendiculairement à l'axe de rotation (2) sur une nervure centrale et droite, non visible sur les figures 1, 2 et 4, et d'autre part une partie (5b) formant talon ou jambe, s'étendant en hauteur parallèlement à l'axe de rotation (2), et ayant un contour extérieur de révolution autour du même axe (2). Le talon (5b) est coupé selon un plan vertical parallèle à l'axe (2), pour dégager une face (5c) d'accès à l'outil de coupe, laquelle comporte un logement (5d) pour la lame ou plaquette (6) de coupe ou taille.Le logement (5d) est adapté avec précision à la forme et aux dimensions de l'extrémité de la lame (6), selon un profil triangulaire représenté à la figure 4. L'outil de coupe (6), par conséquent en forme de plaquette, est fixé sur la face d'appui (5c) par une vis (71). La lame de coupe (6) présente, quant à elle, une arête (6a) de coupe, au contact du siège (7) de soupape, à rectifier. Selon le mode d'exécution représenté aux figures 1 à 4, des moyens de flexibilité angulaire sont intégrés dans le porte-outil (5), et plus précisément dans la partie ou talon (5b), en hauteur entre l'outil de coupe (6) et l'adaptateur (4), et par conséquent le nez de la broche (2). Ces moyens sont obtenus par un évidement borgne (5e) du porte-outil (5), dans un plan transversal et perpendiculaire à l'axe de rotation (2) de la broche (1). Cet évidement présente une bordure interne transversale (5f), affectant la forme d'un perçage cylindrique débouchant, perpendiculaire à l'axe de rotation (2). Au cours du travail de rectification, par rotation de la broche (1), l'arête de découpe (6a) est au contact du siège (7), et un effort ou contrainte se trouve exercé sur la lame (6), et en conséquence le porte-outil (5). Face à cet effort, les moyens de flexibilité angulaire décrits précédemment, obtenus par l'évidement (5e), d'une part permettent une mobilité angulaire de l'outil de coupe (6) par rapport à un axe transversal (11), correspondant approximativement à l'axe de la bordure cylindrique (5f), et d'autre part rappellent l'outil de coupe vers une position dite positive, c'est-à-dire en avant du plan radial (12 > déterminé par l'axe (2) de rotation de la broche et passant par la lame de coupe (6), dans le sens de rotation A de la broche (1). Grâce à ces moyens, la lame de coupe (6) est à même de prendre toute position angulaire appropriée, en fonction de l'effort reçu, et plus précisément - une position négative, représentée à -la figure 2 par des traits discontinus, en arrière du plan vertical (12) selon le sens d'orientation A, sous l'effet d'une contrainte relativement -importante ; ceci ramène l'effort de coupe à une valeur raisonnable - une position dite nulle, coïncidant avec le plan radial (12), sous l'effet d'une contrainte relativement moyenne - une position# dite positive, décrite précédemment, en avant du plan de référence (12), sous l'effet d'une contrainte relativement faible. De cette manière, l'angle de coupe s'adapte constamment à la contrainte reçue pour optimiser constamment les conditions de coupe. Conformément aux figures 5 à 8, les moyens de flexibilité angulaire sont complétés par un tampon (61) en matériau élastique, par exemple en caoutchouc, disposé dans l'évidement borgne (5e). Selon la figure 5, le tampon (61) remplit complètement l'évidement (5e), y compris la partie cylindrique (5f). On obtient ainsi, en plus de l'autoajustement de l'angle de coupe, un amortissement des vibrations de la broche porte-outil, pouvant conduire au "broutage" de l'outil de coupe. Selon la figure 8, le tampon (61) remplit incomplètement l'évide- ment (5e), à l'exception de la partie cylindrique (5f). Conformément à la figure 6, le tampon (61) consiste en un joint torique, disposé en appui de part et d'autre, respectivement sur les deux parois (5g) et (5h), en vis à vis de l'évidement borgne (5e). Par rapport à la solution précédente, un tel joint permet un effet progressif de l'amortissement. Conformément à la figure 7, le tampon (61) du matériau élastique est fixé sur la paroi (5g) de l'évidement (5e), et un moyen de pré-contrainte réglable est disposé du côté de l'autre paroi (5h), en vis à vis du tampon (61). Ce moyen de pré-contrainte comporte une vis (14) en appui par son extrémité libre (14a) sur le tampon. Un tel système permet d'obtenir une pré-contrainte réglable en fonction du travail d'usinage à réaliser. REVENDICA#ONS 1- Broche porte-outil (1) pour usinage de précision, notamment pour rectifier les sièges (7) de soupapes de moteurs thermiques, comportant, outre la broche (1) proprement dite, un porte-outil (5) solidaire en rotation de l'extrémité libre ou nez (4) de la broche, et pourvu d'un outil de coupe (6), caractérisée en ce que le porte-outil (5) comprend des moyens (5e) de flexibilité angulaire, d'une part permettant un mobilité angulaire de l'outil de coupe par rapport à un axe transversal (11) perpendiculaire à l'axe de rotation (2), et d'autre part rappelant l'outil de coupe vers une position positive, c'est-à-dire en avant du plan radial (12) déterminé par l'axe de rotation de la broche, et passant par l'outil de coupe, dans le sens de rotation (A) de la broche (1). 2- Broche selon la revendication 1, caractérisée en ce que le porte-outil (1) intègre les moyens (5e) de flexibilité angulaire. 3 Broche selon la revendication 2, caractérisée en ce que le moyens de flexibilité angulaire sont obtenus par un évidement borgne (5e) du porte-outil, dans un plan transversal et perpendiculaire à l'axe de rotation (2i de la broche, cet évidement étant disposé entre l'outil de coupe (6) et le nez (4) de la broche, et présentant une bordure interne transversale (su), c'està-dire perpendiculaire à l'axe de rotation (2). 4- Broche selon la revendication 3, caractérisée en ce que la bordure interne (5f) de l'évidement borgne affecte la forme d'un perçage cylindrique. 5- Broche selon la revendication 3, caractérisée en ce que les moyens de flexibilité angulaire comprennent un tampon (61) d'un matériau élastique disposé dans l'évidement borgne (5e). 6- Broche selon la revendication 5, caractérisée en ce que le tampon (61) remplit complètement l'évidement (5e). 7- Broche selon la revendication 5, caractérisée en ce que le tampon (61) consiste en un joint, notamment torique, disposé en appui de part et d'autre, respectivement les deux parois (5g et 5h) en vis à vis de l'évidement borgne (5e). 8- Broche selon la revendication 3, caractérisée en ce que le tampon (61) du matériau élastique est fixé sur l'une (5g) des deux parois de l'évidement, et un moyen de précontrainte -réglable est disposé sur l'autre paroi (5h) de l'évidement, en vis à vis du tampon (61), et comporte une vis (14) en appui par son extrémité libre (14a) sur ledit tampon. 9- Broche selon la revendication 5, caractérisée en ce que le tampon (61) remplit incomplètement l'évidement (5e).