Brevet FR2684907A1 — publié le 19930618

TETE D'USINAGE MULTIBROCHE POUR USINER DES MATERIAUX COMPOSITES TELS QUE LE CARBONE DESCRIPTION DOMAINE DE L'INVENTION L'invention concerne l'usinage et notamment le perçage d'un très grand nombre de trous sur une grande surface dans une pièce composite en un matériau tel que du carbone L'invention concerne, en particulier, le perçage de toute la surface intérieure d'un recouvrement acoustique (appelé "peau acoustique") utilisé dans un turboréacteur d'avion Une telle pièce a un diamètre de l'ordre de un à deux mètres et est en carbone. ART ANTERIEUR ET PROBLEME POSE Dans la conception des turboréacteurs d'avions, on éprouve le besoin d'utiliser une peau acoustique à l'intérieur d'une virole du turboréacteur, notamment au niveau de l'inverseur de poussée Or, une telle pièce comporte un très grand nombre de trous adjacents dont le diamètre est de l'ordre de un à deux millimètres La fabrication en petite série de ce type de pièce, qui est en carbone, nécessite d'être exécutée de la façon la plus automatisée possible et la plus rapide possible Il s'avèrerait en effet fastidieux et beaucoup trop cher de réaliser cette multitude de trous, un par un. RESUME DE L'INVENTION A cet effet, l'objet principal de l'invention est une tête d'usinage multibroche pour usiner des pièces à structures compositescontenant des matériaux tels que le carbone. Selon l'invention, la tête comprend plusieurs unités d'usinage à grande vitesse de rotation et possédant chacune une broche débouchant sur la même face, pour usiner conjointement plusieurs trous parallèles sur une même surface. Compte tenu de la vitesse de rotation exigée pour le perçage de trous dans des pièces en matériau composite en carbone, il est exclu d'utiliser une tête de perçage comprenant plusieurs broches entraînées par un seul moteur En effet, l'entrainement de plusieurs broches impose l'utilisation d'engrenages qui sont des éléments mécaniques posant trop de problèmes pour des vitesses de rotation trop importantes La transmission par engrenage et roue dentée est donc exclue. En conséquence, dans les deux réalisations préférentielles de l'invention, les unités d'usinage sont soit des broches électriques de perçage à haute fréquence, appelées "électrobroches", soit des broches de perçage pneumatique équipées d'un moteur pneumatique pour faire tourner les broches à des très hautes vitesses de rotation. Pour percer les trous dans des matériaux composites en carbone, il est nécessaire de tourner à des vitesses de l'ordre de cinquante à soixante mille tours par minute En effet, des vitesses de rotation de l'ordre de 1 000 à 5 000 tours par minute engendrent un phénomène de délaminage dans ce type de structure Les différentes couches se détachent et l'état de surface du trou n'est pas acceptable. Les poussières engendrées par cet usinage à grandes vitesses sont très volatiles et sont d'autre part nocives Une particularité de l'invention prévoit d'équiper la tête d'usinage de moyens d'aspiration agissant autour de la face d'extrémité d'o débouchent les broches pour aspirer les poussières ainsi engendrées. Ces moyens doivent être constitués d'un masque entourant l'extrémité de la tête et d'une conduite d'aspiration de l'air. Les moyens d'aspiration peuvent être complétés de moyens de soufflage d'air autour des forets qui sont montés dans les broches On réalise ces moyens de soufflage de préférence par un circuit de distribution constitué principalement d'un flasque d'extrémité placé sur la face d'extrémité de la tête et entourant les extrémités des broches de perçage pour distribuer l'air le long des forets montés dans les broches. Le perçage d'une pièce en matériau composite de carbone de faible épaisseur a tendance à engendrer des vibrations dans cette pièce L'invention prévoit en particulier des moyens de maintien de cette pièce qui sont solidaires de la tête d'usinage pour empêcher ce phénomène de vibrations. De préférence, ces moyens de maintien sont réalisés sous la forme de plusieurs billes de poussée, maintenues chacune en pression contre la pièce à usiner par un ressort de pression à force constante. Dans le cas d'utilisation d'électrobroches, on utilise des moyens de commande électrique de la rotation des broches comprenant eux-mêmes: un circuit de montée en vitesse des broches; et un circuit de mesure et de contrôle du courant utilisé sur chacune des broches, pour détecter des anomalies de fonctionnement de la tête d'usinage et d'arrêter ce fonctionnement. Le fonctionnement de la tête d'usinage selon l'invention est amélioré lorsqu ' elle comporte une circulation d'huile à l'intérieur dans un volume interne pour refroidir les broches. Dans ce cas, des cloisons ajourées peuvent être placées dans le volume interne pour constituer un labyrinthe vis-à-vis de la circulation d'huile, afin d'homogénéiser le refroidissement des broches. LISTES DES FIGURES L'invention et ses différentes caractéristiques techniques seront mieux comprises à la lecture de la description suivante qui est accompagnée des figures représentant respectivement figure 1, le cadre d'utilisation de la tête d'usinage selon l'invention; figure 2, en coupe, l'extrémité de la tête d'usinage selon l'invention; figure 3, en schéma frontal, la tête d'usinage selon l'invention; figure 4, un schéma électrique symbolisant le circuit de mesure et de contrôle du courant utilisé dans les broches, dans le cas d'utilisation d'électrobroches et le circuit de montée en vitesse des électrobroches; et figure 5, la courbe du courant utilisé dans un exemple d'utilisation de la tête d'usinage selon l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE D'UNE REALISATION DE L'INVENTION La figure 1 symbolise un centre d'usinage dit "à cinq axes", c'est-à- dire à cinq degrés de liberté pour les outils utilisés On y distingue un bâti 1, une table de travail 2 sur laquelle peuvent être fixées les pièces à usiner et un bloc d'usinage 3 monté mobile sur le bâti 1 La tête d'usinage selon l'invention 4 est montée sur le bloc d'usinage 3, les outils étant horizontaux, ceci n'étant qu'un exemple de réalisation Les différents mouvements possibles de la tête d'usinage 4 montée sur le bloc mobile d'usinage 3 peuvent ainsi permettre une grande liberté de mouvement et ainsi donc une grande possibilité dimensionnelle d'usinage sur des pièces complexes Il est en particulier possible d'usiner des grandes viroles en matériau composite à base de carbone fixées sur la table de travail 2 Il est en particulier possible de percer dans ce genre de pièce, une multitude de trous conjoints, la tête d'usinage pouvant alors avoir accès à tous les endroits de la surface à percer La forme éventuellement circulaire complexe et gauche d'une virole acoustique pour un turboréacteur amène donc à utiliser, de manière programmée, les différents degrés de liberté de la tête d'usinage 4 montés sur cette machine dans le but de perforer toute la virole. Comme on a pu le constater sur cette figure 1, la tête d'usinage selon l'invention comprend plusieurs unités d'usinage ayant des broches parallèles Cette tête d'usinage étant prévue pour percer des matériaux composites, tels que le carbone, ces unités d'usinage ont des broches qui tournent à très grande vitesse Il est en particulier question de percer les trous de l'ordre de un à deux millimètres avec des vitesses de rotation de l'ordre de quarante mille tours par minute. La figure 2 représente en coupe une réalisation préférentielle de la tête d'usinage selon l'invention, c'est-à-dire utilisant comme unité d'usinage des broches électriques 5 tournant à haute fréquence et appelées communément "électrobroches". L'exemple représenté prévoit l'utilisation de neuf électrobroches 5 disposées en carré; c'est la raison pour laquelle seulement trois électrobroches 5 sont représentées L'extrémité 6 de chaque broche 5 débouche sur la surface d'extrémité 12 de la partie gauche de la tête d'usinage et est destinée à recevoir un foret 7 Les forets 7 se trouvent donc montés de manière parallèle dans la tête d'usinage. Compte tenu des vitesses de rotation des électrobroches 5, ces dernières doivent être refroidies au moyen d'une circulation d'huile A cet effet, les électrobroches sont placées dans un bain d'huile 8 constitué par l'intérieur du carter de la tête d'usinage et équipé d'une entrée d'huile 9 A et d'une sortie 9 B Ainsi, une circulation d'huile à l'intérieur de ce volume permet le refroidissement du corps de chacune des électrobroches 5. Afin de surveiller la température de l'huile, il est préférable de disposer d'un instrument de mesure et de surveillance de la température, tel qu'un thermocouple 10 placé à l'intérieur de ce volume 8. Les électrobroches 5 peuvent être remplacées par des broches tournantes pneumatiques dont le fonctionnement est similaire aux broches utilisées dans les appareils de soins dentaires et qui peuvent tourner à des vitesses supérieures à cent mille tours par minute. La pièce à usiner 11 a été représentée légèrement concave pour symboliser le revêtement acoustique d'une grande virole d'un turboréacteur. On constate ainsi que la tête d'usinage devant percer une multitude de trous à l'intérieur de cette forme doit être déplacée en translation le long de la paroi à percer, mais également doit être légèrement tournée pour que la face d'extrémité 12 de la tête d'usinage se trouve toujours positionnée en face de la pièce il à percer. Dans le cadre du perçage de nombreux trous dans une pièce composite en carbone, il s'est avéré nécessaire de ne pas laisser s'échapper les poussières dues à l'usinage Ces dernières sont en effet très nocives vis-à-vis des opérateurs Elles sont également nocives vis-à-vis du matériel car elles sont très volatiles et peuvent donc s'introduire à l'intérieur de certains mécanismes en passant entre les pièces. Compte tenu de la rapidité d'intervention de la tête d'usinage selon l'invention dans le cadre du perçage de plusieurs dizaines de milliers de trous sur une même pièce par une même machine à commande numérique, il s'avère pratiquement nécessaire de confiner et d'écarter ces poussières issues des différents perçages A cet effet, l'invention prévoit d'équiper la tête d'usinage de moyens d'aspiration aux environs et en face de la surface d'extrémité 12 de la tête d'usinage Ainsi, les extrémités des broches 6 et les forets 7 qu'elles tiennent se verront constamment entourées d'un courant d'air aspirant dans une direction déterminée les poussières d'usinage Ces moyens d'aspiration permettent également d'éviter un phénomène de "collage" des particules issues du perçage En effet, compte tenu de certains champs électrostatiques, de telles particules ont tendance à se plaquer contre la pièce à usiner. Sur la figure 2, ces moyens d'aspiration sont constitués tout d'abord de moyens de soufflage d'air autour des forets 7 Ces moyens sont donc constitués d'un circuit de distribution d'air constitué principalement par un flasque d'extrémité 13 qui entoure les extrémités 6 des broches de perçage 5 en laissant un très léger intervalle autour de ces extrémités 6 Ce flasque d'extrémité 13 définit avec un flasque intérieur correspondant 15 un volume plat 14 entourant toutes les unités d'usinage Cette cavité 14 est alimentée par une arrivée d'air 16 De ce fait, cette arrivée d'air 16 étant opérationnelle, l'air introduit dans la cavité 14 s'échappe à travers les interstices 17 entourant les extrémités 6 des unités d'usinage 5. Le courant d'air ainsi créé par ce soufflage d'air est avantageusement complété par des moyens d'aspiration de l'air ainsi soufflé A cet effet, on prévoit un masque 18 entourant la tête d'usinage. Celui-ci est complété d'une conduite d'aspiration 19 débouchant dans le masque et reliée à une prise de dépression, de manière à collecter l'air ainsi soufflé. Il s'avère que le perçage d'une pièce relativement mince, telle qu'une peau acoustique en carbone, est sujette à des vibrations relativement importantes lorsqu'on tente de la percer à des vitesses de rotation importantes de l'ordre de plusieurs dizaines de milliers de tours par minute On éprouve donc dans le cas de la tête d'usinage selon l'invention le besoin de maintenir la pièce à percer Des moyens de maintien de la pièce sont donc prévus, fixés à la tête d'usinage elle-même. Ces moyens de maintien de la pièce à percer sont représentés sur la figure 2 principalement par plusieurs billes 20 maintenues chacune dans une cage 21 Elles sont disposées dans ces cages 21 de manière à dépasser et pouvoir prendre appui contre la pièce à percer 11 Le fond de chaque cage 21 est constitué d'une douille 22 qui maintient la bille correspondante plaquée contre la pièce à percer 11 au moyen d'un ressort de pression 23 En choisissant de manière adéquate les ressorts de pression 23, il est ainsi possible d'appliquer une pression constante contre la pièce à percer malgré le fait que les forets 7 s'enfoncent dans la pièce à usiner et que la tête d'usinage portant les cages 21 avance en direction de cette pièce à percer 11 Bien entendu, le diamètre de la bille 20 et l'extrémité de la cage 11 doivent être dimensionnés pour permettre un léger recul de la bille 20 dans la cage 21. Sur la figure 3, ont été représentées schématiquement les neuf broches de perçage 5 agencées en carré et les quatre billes 20, ainsi que leur cage 21 Elles ont été placées chacune entre quatre broches de perçage On peut ainsi assurer une pression constante et symétrique sur la pièce à percer, lors des efforts de coupe appliqués par les neuf forets. Ceci n'est évidemment qu'un exemple de réalisation et d'agencement des moyens de maintien de la pièce à percer. Sur cette figure 3, de même que sur la figure 2, on a représenté deux cloisons ajourées 24, disposées à l'intérieur du volume interne 8. Ces deux cloisons ajourées 24 ont pour but de créer une sorte de labyrinthe vis-à-vis de la circulation de l'huile, de manière à imposer un parcours relativement compliqué à cette dernière Le but de cette disposition est d'essayer d'homogénéiser le refroidissement des broches 5 par l'huile, en évitant que certaines parties du volume interne 8 ne soit que très peu refroidi par une faible circulation d'huile à cet endroit précis. La tête d'usinage selon l'invention permet donc le perçage d'un très grand nombre de trous se trouvant sur une même pièce et étant espacés de façon régulière De plus, le montage de la tête d'usinage selon l'invention sur une machine à commande numérique dite l'a cinq axes" permet ainsi de cribler régulièrement de trous une surface gauche ou de géométrie relativement compliquée. L'usinage d'un panneau ou d'une peau acoustique utilisée à l'intérieur d'une virole d'un turboréacteur impose de percer plusieurs dizaines de milliers de trous d'un diamètre de l'ordre de 1,5 millimètre très resserrés les uns des autres. Les forets utilisés sont donc relativement minces et fragiles et la probabilité d'évènements d'un accident d'usinage tel que la cassure d'un foret et les conséquences qu'il entraîne (bris d'outil dans l'espace d'usinage) sont relativement grandes. Il s'avère donc utile, dans le cas o le perçage d'une telle pièce se fait automatiquement de façon programmée, de prévoir la détection d'un il incident de perçage, pour éviter de continuer le programme de perçage avec par exemple un foret de cassé En effet, compte tenu du très grand nombre de trous, il s'avérerait très préjudiciable de laisser continuer à travailler de façon automatique la tête d'usinage, alors qu'un des neufs forets se trouverait cassé Ceci entraînerait le perçage ultérieur de tous les trous qui n'auraient pas été usinés par le foret cassé. A cet effet, et en référence à la figure 4, on prévoit, dans le cadre de l'utilisation d'électrobroches, de surveiller le courant utilisé dans chacune des broches. Sur cette même figure 4, apparaît un circuit de mise en marche de la tête d'usinage ou de montée en vitesse des électrobroches En effet, pour qu'une électrobroche fonctionne correctement à une vitesse de rotation de quarante mille tours par minute, il est indispensable de réchauffer lentement l'ensemble de l'électrobroche pour que la graisse des roulements à billes puisse se répartir correctement Il y a donc lieu de faire tourner à vide les différentes électrobroches de la tête d'usinage à différents paliers progressifs de vitesse de rotation Par exemple, il s'avère très intéressant de faire tourner les broches à dix mille tours par minute pendant trente minutes, puis à vingt mille tours par minute pendant cinq minutes et à trente mille tours par minute pendant cinq minutes Après quoi, la vitesse de trente sept à quarante mille tours par minute peut être atteinte D'autre part, pour différents paramètres, par exemple la température de stockage de l'huile de refroidissement, cette procédure de montée en vitesse n'est pas répétitive Il est donc intéressant de programmer à l'avance cette montée en vitesse pour qu'elle soit effectuée de manière correcte la première fois. On distingue donc sur la figure 4 une source de courant électrique 25 qui alimente un générateur de rampe 27 commandé par un premier interrupteur de mise en marche 26 En fonction d'une première consigne Cl, le générateur de rampe 27 commande le circuit d'alimentation du moteur de chaque électrobroche 5 de façon progressive et par palier. La sortie de ce générateur de rampe 27 est également connectée à un comparateur général 33 Ce dernier reçoit également un signal d'autorisation de mise en marche issu d'une porte ET qui centralise les différents paramètres de fonctionnement de la machine (en l'occurrence, la température de l'huile par l'intermédiaire du thermocouple 10, la consigne de fin de cycle de montée en vitesse issue de ce comparateur général 33). De ce fait, lorsque la vitesse de rotation des broches, la température de l'huile et le deuxième interrupteur 36 permettent l'usinage, un premier témoin de contrôle 34, branché à la sortie du comparateur principal 33, est activé L'usinage peut alors commencer. Pendant la phase d'usinage, le générateur de rampe est bien sûr courtcircuité par la sortie de la porte ET 35. Pendant l'usinage, chacun des courants traversant le moteur de chacune des broches est analysé En effet, un amplificateur 28 envoie ce courant dans un comparateur de seuil 30 par l'intermédiaire d'un limiteur de courant 29 Un générateur de consigne 31 définit deux valeurs de courant C 2 et C 3 délimitant une plage de courant de fonctionnement En d'autres termes, si le courant dépasse la valeur supérieure, ceci signifie que le moteur de l'électrobroche correspondante 5 consomme trop de courant et qu'il s'est donc produit un accident durant la coupe, le foret réclamant une force de coupe supérieure Des bris d'outils peuvent ainsi avoir été introduits dans le trou opposant une résistance mécanique à la rotation du foret Un deuxième témoin de signalisation 32 est ainsi activé. Le limiteur de courant 29 limite alors automatiquement le courant dans l'électrobroche correspondante 5. Il en est de même lorsque le courant consommé par le moteur d'une électrobroche 5 se trouve en dessous de la consigne inférieure Ceci peut vouloir signifier que le foret a été cassé et qu'il n'existe pratiquement plus d'effort s'opposant à la rotation de la broche correspondante Dans ce cas également, il s'agit d'interrompre le programme d'usinage. Le comparateur général 33 surveille ainsi tous les courants traversant les moteurs des électrobroches 5 et peut ainsi définir un état de fonctionnement normal de la machine. La courbe de la figure 5 représente la variation du courant traversant le moteur d'une électrobroche durant le cycle de montée en vitesse d'une broche de la tête d'usinage selon l'invention et pendant l'usinage lui-même dans le cas o se produit une rupture de l'outil correspondant - Au point A, s'effectue la mise en marche de la tête d'usinage Un appel brutal de courant s'effectue dans l'électrobroche, puis se stabilise à une valeur IA relativement faible correspondant à la rotation à vide et à faible vitesse de la broche. Le point B indique l'autorisation du cycle automatique de montée en vitesse de rotation Cette dernière s'effectue donc progressivement et éventuellement par paliers Lorsque la vitesse de rotation de fonctionnement est atteinte au point C, le courant a une valeur déterminée Ic Au point Dl a lieu un premier usinage Un faible appel de courant supplémentaire a lieu et le courant atteint une intensité ID et redescend rapidement à la valeur de fonctionnement Ic On procède ainsi à plusieurs usinages symbolisés par les points D 2 à DN Au point E, se produit un effort anormal sur le foret et celui- ci casse Le courant dans la broche augmente et chute brutalement à la valeur O et la tête d'usinage doit être arrêtée suite à la signalisation de cet état par le deuxième témoin de signalisation. On peut ainsi programmer un cycle automatique de montée en vitesse et un cycle de surveillance des différentes électrobroches de la tête d'usinage selon l'invention. Ce système peut être installé dans une armoire de commande et le démarrage de l'ensemble peut être effectué par l'action sur un simple bouton poussoir, tel que le premier interrupteur 26, le deuxième interrupteur 36 étant supprimé. On peut ainsi palier à différentes anomalies de fonctionnement pendant l'usinage En effet, les surintensités de courant provoquées par un problème électrique sur l'alimentation des moteurs des électrobroches, ou par la rupture d'un foret, ou par un problème de fonctionnement du moteur seront aussitôt détectées par le comparateur de seuil 30. De même, des sous-intensités provoquées par la non-rotation d'une broche ou par sa rotation à faible consommation due à l'absence d'effort après la rupture d'un foret seront également aussitôt détectées. Bien entendu, il est possible de prévoir un changement régulier de tous les outils d'une même tête d'usinage. La tête d'usinage selon l'invention a été prévue pour effectuer des perçages sur des grandes surfaces Bien entendu, les forets pourront être remplacés par d'autres outils' à aléser ou à polir, le mode d'utilisation de la tête d'usinage selon l'invention n'étant pas changé, n'importe quel genre d'usinage pouvant être effectué sur des broches tournantes peut être effectué avec la tête d'usinage selon l'invention. AVANTAGES DE L'INVENTION Vitesse de rotation très élevée pouvant permettre la perforation de plaques composites en carbone en évitant ainsi le phénomène de délaminage. Perçage de très nombreux trous sur de grandes surfaces. Utilisation sur machine à commande numérique à cinq axes permettant de percer des pièces de grande dimension sur des surfaces complexes, mais définies géométriquement. Elimination de la poussière de carbone quand ce matériau compose la pièce à usiner. Maintien de la pièce à usiner lorsque celle-ci est constituée d'une plaque relativement mince. REVENDICATIONS 1 Tête d'usinage multibroche pour usiner des pièces à structures composites, contenant des matériaux tels que le carbone, caractérisée en ce qu'elle comprend plusieurs unités d'usinage ( 5) à grande vitesse de rotation débouchant sur une même face d'extrémité ( 12) pour usiner conjointement plusieurs trous parallèles sur une même surface. 2 Tête d'usinage selon la revendication 1, caractérisée en ce que les unités d'usinage ( 5) sont des broches électriques de perçage à hautes fréquences appelées "électrobroches". 3 Tête d'usinage selon la revendication 1, caractérisée en ce que les unités d'usinage ( 5) sont des broches pneumatiques équipées chacune d'un moteur pneumatique à haute vitesse de rotation. 4 Tête d'usinage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens d'aspiration de l'air autour de la face d'extrémité ( 12) o débouchent les broches ( 5). Tête d'usinage selon la revendication 4, caractérisée en ce que les moyens d'aspiration comprennent des moyens de soufflage d'air autour des forets ( 7) montés à l'extrémité ( 6) des broches ( 5). 6 Tête d'usinage selon la revendication , caractérisée en ce que les moyens de soufflage sont constitués d'un circuit de distribution constitué principalement d'un flasque d'extrémité ( 13) qui entoure les extrémités ( 6) des broches ( 5) pour distribuer l'air contre ou le long des outils ( 7) montés à l'extrémité ( 6) des broches ( 5). 7 Tête d'usinage selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisée en ce que les moyens d'aspiration comprennent un masque ( 18) entourant l'extrémité de la tête d'usinage et une conduite d'aspiration ( 19) débouchant dans le masque ( 18). 8 Tête d'usinage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens de maintien de la pièce à usiner ( 11) solidaires de la tête d'usinage. 9 Tête d'usinage selon la revendication 8, caractérisée en ce que les moyens de maintien de la pièce à usiner ( 11) sont constitués par plusieurs billes ( 20) poussées chacune par un ressort ( 23) à force constante et susceptibles d'être ainsi reculées vers la tête d'usinage pendant que les outils ( 7) s'enfoncent dans la pièce à usiner ( 11). Tête d'usinage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte une circulation d'huile à l'intérieur dans un volume interne ( 8) pour refroidir les broches ( 5). 11 Tête d'usinage selon la revendication , caractérisée en ce qu'elle comprend des cloisons ajourées ( 24) placées dans le volume interne ( 8) pour constituer un labyrinthe vis-à-vis de la circulation d'huile, afin d'homogénéiser le refroidissement des broches ( 5). 12 Tête d'usinage selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens de commande électrique de la rotation des broches ( 5) comprenant: un circuit de montée en vitesse des broches ( 5); un circuit de mesure et de contrôle du courant utilisé sur chacune des broches ( 5) pour détecter des anomalies de fonctionnement et arrêter le fonctionnement de la tête d'usinage.