Brevet FR2720017A1 — publié le 19951124

DOMAINE DE LA TECHNIQUE La présente invention concerne une fraise à copier à extrémité sphérique (fraise boule) plus spécialement pour série longue (usinage de grandes profondeurs) destinée à la reproduction sur des machines-outils à commande numérique de pièces de formes complexes et d'accès délicat, comme des rouets de turbopompes dans les domaines de l'aéronautique ou de l'espace par exemple. ART ANTERIEUR La demande de brevet FR 2 433 998 montre un exemple de fraise-boule d'utilisation courante comportant une plaquettc à deux faces de coupe montée dans une chape du porte outil et maintenue dans celle-ci par une vis de serrage. Les demandes de brevet FR 2 624 416 et FR 2 548 061 montrent des fraises à reproduire avec respectivement trois lames disposées dans le plan axial de la fraise et quatre plaquettes constituées de secteurs de couronne circulaire. La demande FR 2 541 155 montre une fraise à tète de travail hémisphérique qui comporte deux plaquettes cn forme de parallélogramme et possédant une surface supérieure de coupe convexe. Dans de tels outils à plaquettes. la coupe de la matière est effectuée successivement par les lèvres des différentes plaquettes qui sont amenées à enlever une certaine quantité de cette matière à chaque passe. Il en résulte la nécessité d'exercer au niveau de chacune de ccs lèvres une force déterminée qui est de nature à faire fléchir le porte- outil voire à le rompre lorsque les vibrations dont il est alors le siège deviennent trop importantes. En outre, la géométrie des plaquettes ne permet pas l'établissement d'angles habituellement favorables à la coupe. Par ailleurs, il peut être noté que dans lcs fraises munies de vis de serrage, comme la fraise du document FR 2 433 998 par cxemple. il apparaît un phénomène de matage qui entraîne irrémédiablcmcnt la destruction du porte-outil. DESCRIPTION DE L'INVENTION La présente invention se propose de remédier aux inconvénients précités avec une fraise à copier dont la durée de vie ne soit pas limitée par l'obligation de taille des plaquettes. Un but de l'invcntion est de réaliser une fraise qui soit rigide et robuste et permette ainsi des usinages intensifs avec des cnlèvements de surépaisseurs de matière importantes. Un autre but dc l'invcntion est de permettre ces usinages avec des vitesses de coupe ct d'avancc élevées. Encore un autre but est d'obtenir par une fabrication simplifiéc une fraise à copier d'une grande fiabilité. Ces buts sont atteints par unc fraise à copier munic d'un corps cylindrique ou conique ayant une extrémité sphérique constituant la partic active de la fraise. cette extrémité comportant plusieurs cannelures inclinées d'un angle déterminé O par rapport à l'axe longitudinal de la fraise ct pratiquées suivant un arc de cercle à une distance déterminée x du plan médian P de la fraise. unc face interne et une face externe de chacune de ces cannelures constituant après usinage respectivement une face de coupe et des faces de dépouille de chaque dent de cette fraise. Les faces de dépouille comportent une face de première dépouille et une face de contredépouille présentant au moins une première facette. Par cet usinage direct dc l'extrémité sphérique qui ne présente plus aucun élément rapporté, il est possible d'obtenir avec unc parfaite répétitivité une fraise ayant un grand nombre de dents ct présentant des angles particulièrement favorables à la coupe. La face de coupe comporte un angle de coupe y donné par l'équation suivante:, = Arcsin[x tgO /g'x(2R-x)] R étant le rayon de la fraise. Ainsi en jouant sur les paramètres 0 et x. il est possible sans difficulté de choisir l'angle de coupe y et l'angle de dépouille ct qui convient le mieux au couple formé par l'outil d'affûtage et le matériau dc la fraise. De préférence. les cannelures s'étcndent sur un arc compris entre 90 et 120" et les dents qui sont toutes convcrgcntcs vers le centre sont au nombre de six à douze. Lorsque la fraise comporte un nombre impair de dents, seule l'une d'entre elles s'étend jusqu'à l'axe longitudinal dc rotation dc la fraise pour permettre d'assurer un usinage en bout convenable. Afin de permettre l'utilisation de cette fraise tant pour les séries longues (usinage de grandes profondeurs) que pour les séries courtes mais aussi de permettre un meilleur choix des matériaux constituant la fraise (qualité de coupe pour la tête et résistance à la flexion pour la queue), son extrémité sphérique comporte une queue conique destinée à coopérer avec une partie conique femelle correspondante du corps cylindrique. un dispositif d'arrêt traversant à la fois le corps et la queue pour interdire toute rotation entre ces deux éléments. Avantageusement, ce dispositif d'arrêt cst constitué par une goupille fendue élastique. La présente invention se rapporte égalemcnt à un procédé de fabrication de la partie active d'une fraisc à copier à extrémité sphérique tclle que décrite ci- dessus, l'axe longitudinal A de la fraise étant incliné d'un angle 0 déterminé par rapport à l'horizontale, ce procédé comportant les phases d'usinage suivantes exécutées à partir d'une pièce formée d'une tète sphérique et d'une queue conique: a) taillage d'une cannelure dune profondeur détcrmince sur une portion déterminée de la tête sphérique par rotation de la fraise autour d'un axe perpendiculaire C au plan horizontal passant près du centre dc cctte tête sphérique, b) rotation de la fraise d'un angle predéterminé, dépendant du nombre de dents de la fraise à réaliser, autour de son axe longitudinal A. c) répétition des phases a) et b) pour toutes les dents. d) affûtage de la face de coupe sur une profondeur déterminée d'une face interne de la cannelure par rotation de la fraise autour de l'axe C. l'angle de coupe y variant avec une distance x prédétemninée existant entre le plan médian P de la fraise passant par son centre et le plan de l'outil d'affûtage. e) rotation de la fraise d'un angle déterminé, dépcndant du nombre de dents de la fraise à réaliser, autour de son axe longitudinal A. f) répétition des phases d) ct e) pour toutes les dents, g) affûtage d'une première facette d'une face dc contrcdépouille par rotation de la fraise autour de l'axe C, h) rotation de la fraise d'un angle déterminé, dépcndant du nombre de dents de la fraise à réaliser, autour de son axe longitudinal A. i) répétition des phases g) et h) pour toutes les dents. j) affûtage d'une face de dépouille par rotation de la fraise autour de l'axe C, k) rotation de la fraise d'un angle détcrminé, dépendant du nombre de dents de la fraise à réaliser, autour de son axe longitudinal A, 1) répétition des phases j) et k) pour toutes les dents. Lorsque le nombre de dents est de préférence inferieur à huit, ce procédé de fabrication comporte des phases supplcémentaires de m) rotation de la fraise autour de son axe longitudinal A et dc n) affûtage d'une seconde facette de la face de contredépouille, ces phases étant mises cn oeuvre entre les phases g) et h) précédentes. Plus précisément, les phases d'affûtage d). g), j) et n) comportent une étape de plongée de l'outil d'affûtage dans la fraise à usiner, l'étapc d'usinage proprement dit par rotation de la fraise et une étapc dc retrait ct de rctour de l'outil d'affûtage dans sa position de départ. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques et avantages dc la présente invention ressortiront mieux de la description suivante. faite à titrc indicatif et non limitatif, en regard des dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est un schéma de principe montrant les différents axes de déplacement de la machine-outil nécessaire à la fabrication dc la fraisc à copier selon l'invention, - la figure 2 montre une première phase de fabrication de la fraise selon l'invention, la figure 3 montre une deuxième phase de fabrication de la fraise selon l'invention, - la figure 4a est un schéma explicatif de la réalisation de l'angle de coupe de la fraise selon l'invention, - les figures 4b et 4c sont des vues selon respectivement les sections A-A et B-B de la figure 4a, - la figure 5 montre une troisième phase (réalisation de l'angle de coupe) de fabrication de la fraise selon l'invention. - la figure 6 montre une dernière phase de fabrication de la fraise selon l'invention, - les figures 7 et 8 montrent respectivement pour une fraise à 6 dents et une fraise à 12 dents une section de cette fraise selon un plan perpendiculaire à son axe de rotation, - la figure 9 est une vue en bout d'une fraise à 9 dents selon l'invention, - la figure 10 est une coupe présentant le montage de l'outil sur le porte outil, et - les figures 11-1 et 11-2 montrent un organigramme explicitant le procédé de fabrication de la fraise à copier selon l'invention. DESCRIPTION DE MODES PARTICULIERS DE REALISATION Il est fait référence à la figure I qui montre de façon très schématique une machine-outil à commande numérique à cinq axes destinée à la réalisation d'une fraise à copier selon l'invention. L'outil d'affûtage 1 constitué de trois meules 10, 12, 14 superposées est monté sur un porte-meules 2 pouvant se déplacer selon un axe vertical Y et un axe horizontal Z. L'outil à tailler 3 (la fraise-boule) est monté sur un porte-outil 4 assurant une rotation de l'outil autour de son axe longitudinal A et pouvant se déplaccr selon un axe X dc translation d'une table (chariot 5) de la machine-outil. Ces quatre axes pemrncttcnt classiquement le taillage d'outils cylindriques à denture droite ou hclicoïdalc. lc dcéplaccment selon l'axe Y permettant notamment de réaliser des affûtagcs cn bout. Uln axe de rotation complémentaire autour d'un axe C perpendiculairc à l'horizontalc et passant par le centre (ou sensiblement près du centre) de la fraise pcut aussi être utilisé grâce à un plateau rotatif 6 fixé sur le chariot 5. Commec il est montré sur cette figure 1. le porte-outil 4 est incliné par rapport au plan horizontal dc la table d'un angle 0 afin de permettre notamment un usinage dune fraise comportant un nombre élevé de dents sans que l'outil d'affûtage 1 ne viennc heurter la queue de cet outil. Les figures 2 et 11-1 illustrent une première phase de fabrication dc la fraise à copier selon l'invention consistant dans le perçage de cannelures ou goujures 30. Après initialisation 100 des différcnts axes afin de permecttre une approche de l'outil d'affûtage 1 près de la fraise à usiner 3. il est procédé de cette position de départ à une première étape 110) de plongée de la mcule centrale 12 dans cette fraise 3 selon l'axe Z. Dans une dcuxième étape 120. cette goujure est réalisée sur une portion de la fraise. avantageusement dc 90 à 120'. par rotation de la fraise autour de l'axe C. Une troisième étape 130 permet le retrait de l'outil 1 selon son axe Z et à une quatrième étapc 140. la fraise cst retournée à sa position de départ initiale par une nouvelle rotation autour de l'axc C identique à la précédente mais en sens opposé. Enfin, à une étape 150. il est procédé à une rotation de la fraise autour de son axe A afin de permlcttre, par retour aux étapes 110 à 140, le perçage d'une autre goujure correspondant à une autre dent de la fraise, ces étapes étant réalisées en un nombrec de fois équivalcnt au nombre de dents devant être usinées selon le résultat d'un test réalisé à l'étape 160. Les figures 3 et 11-1 illustrent une deuxième phase de fabrication consistant dans la reprise d'un angle de coupe dc la fraise par la meule inférieure 14 (cette reprise pouvant n'être effectuéec quc sur unc profondeur déterminée de la goujure). A une première étapc 170. la meule cst introduite dans la première goujure 30, puis à une deuxième étape 180, cct angle est réalisé sur une face interne 31 de l'ensemble de la goujure par rotation du porte-outil 3 selon l'axe C. A l'étape 190, il est procédé au retrait de l'outil 1 selon l'axe Z puis la fraise est ramenée dans sa position de départ par une rotation inverse selon ce même axe C lors d'une étape 200. Après une rotation dc la fraise selon l'axc A à l'étape 210. les étapes précédentes 160) à 190 sont ensuitc répétées pour les autres dents (le nombre de dents réalisées est testé à l'étape 220(). L'intérêt de l'inclinaison du portc-outil 4 dc la fraise 3 d'un angle 0 peut être mieux apprécié au regard des figures 4a à 4c. Il peut ainsi être observé qu'avec cette inclinaison il est possible dc rcaliser les goujures et les différentes facettes de À la fraise sans craindre que les meules dc l'outil d'affûtage nc vicnnent entamer la queue cône morse 7 de la fraise. En outre, cette inclinaison permet de choisir des angles de coupe et de dépouille les plus appropriés à la matière travaillée. Ainsi, il peut être démontré très simplement que, dans le cas o le plan de coupe de la meule passe par le centre de la fraise (plan médian P). si l'axe de la meule tournme d'un angle qp (à représenter sur une figure) dans le sens trigonométrique et que la fraise est usinée avec l'inclinaison 0 par rapport à l'horizontale, l'angle de coupe, de la dent ramené sur la fraise sera alors dc e = q: + Arcsin tgO. De même, si l'axe de la meule toumrne d'un angle y dans le sens contraire du sens trigonométrique et que la fraise est usinée avec l'inclinaison 0 par rapport à l'horizontale, l'angle de coupe y de la dent ramené sur la fraise sera alors de y = Arcsin tgO - (. Plus généralement, lorsque le plan de la mcule cst distant de x du plan médian P de la fraise (de rayon R), il peut également êtrc démontré que l'angle de coupe y est alors donné par l'équation suivante: / = Arcsin [x tgO Vx(2R-x)] _ (p. Les figures 5 et 11-2 illustrent unc troisième phase de fabrication consistant dans le taillage des facettes d'une contredépouille par la meule supérieure 10. A une première étape 230. il est procédé à une première rotation du porte-outil 4 selon l'axe C pour pcrmcttrc lors d'une étape 240 d'introduire la meule jusqu'à l'extrémité de la premièrc dent. puis à une deuxième étape 250, une première facette 32 de cette contredépouille est réalisée sur l'ensemble de la dent par une nouvelle rotation du porte-outil 3 selon l'axe C (cette rotation étant réalisée dans un sens opposé à la préccédentc rotation mais identique à celui des étapes 120 et 180). A l'étape 260, l'outil d'affûtage est retiré selon son axe Z et la fraise est ramenée dans sa position initiale par une rotation inverse selon le même axe C lors d'une étape 270. Selon le nombre de dents à réaliser (test de l'étape 280) (avantageusement en deçà de 8 dents). il pcut être procédé au taillage d'une seconde facette 33 de la contredépouille en reprenant successivement les étapes 230 et 270, ces étapes étant précédéecs d'unc étapc 290 de rotation de la fraise selon son axe A. Dans une variante de misc cn oeuvre dc cc procédé dc fabrication, illustrée en traits pointillés sur la figure 11-2. le taillage de cette sccondc facette peut être fait directement lors d'une étape 320 de retour dc la fraise, cette étape suivant une étape 310 de rotation préalable de cette fraise selon l'axe A. les étapes 260 à 280 n'étant alors pas réalisées du fait de la présence en une étape 300 succédant à l'étape 250 d'un test sur le nombre de dents à réaliscr. Il cst ensuite fait retour à la position de départ par recul dans unc étapc 330 dc l'outil d'affûtage selon l'axe Z. Afin de pouvoir procéder à l'usinage des autres dents un test est ensuite réalisé à l'étape 340 pour permettre dc rcprendrc lecs étapes prccédentes de 230 à éventuellement 330 après une rotation de la fraise sclon l'axc A à l'étape 350. Les figures 6 et 11-2 illustrent la dernièrc phase de fabrication (identique dans le principe aux première ct deuxièmc phases) de la fraise à copier selon l'invention et consistant à usiner la première dépouille par l'intermédiaire de la meule supérieure 10. A une première étape 360. la meule cst introduite dans la première goujure 30, puis à une deuxième étape 370, la prcmière dépouille 34 est réalisée sur l'ensemble de la dent par rotation du porte-outil 3 selon l'axe C. A l'étape 380, il est procédé au rctrait dc l'outil 1 selon l'axc Z puis la fraise est ramenée dans sa position de départ par unc rotation inverse sclon ce même axe C lors d'une étape 390. Les étapes précédecntcs 360 à 390 sont cnsuite répétées pour les autres dents, après rotation à l'étape 410 dc la fraisc sclon l'axe A, selon le résultat d'un test portant sur le nombre de dents réalisé à l'étape 400. Des sections, réalisées selon un plan pcrpendiculairc à l'axe longitudinal de la fraise, de fraises à 6 et 12 dents obtenues selon le procédé de fabrication explicité précédemment sont montrées aux figures 7 ct 8. On rctrouve, outre les goujures 30, les différentes faces de la fraise avec sa face de coupe 31 présentant dans le cas de la figure 7 un angle de coupe y nul (cet angle est positif dans le cas de la figure 8), sa première dépouille 34 définie par son angle de dépouille ct et sa ou ses facettes 32, 33 de contre dépouillc. La figure 9 est une vue en bout d'une fraise à 9 dents qui montre une dent centrale 40 qui s'étend jusqu'à l'axe longitudinal de rotation de la fraise. Bien évidcmment, il peut être observé, comme précédemment, les goujures 30, la prcmière dépouillc 34 et la contre dépouille 32. 11 est important de noter que si l'on souhaite réaliser une fraise à copier pour série longue, il est a priori nécessaire d'opter pour un matériau avant des qualités de coupe comme le carbure de tungstène par exemple, ces types de fraise étant réalisées sous une forme monobloc intégrant à la fois la partie active de l'outil, l'extrémité boule de la fraise, et sa partie support, la queue de fraise. Avec la présente invention, il est proposé (voir figure 10) de réaliscr ce type de fraise à copier en dcux parties distinctes. une partie active comportant la fraise 3 proprement dite et sa queue cône morse 7 et une partie support comprenant unc tige 8 munie d'un cône femellc 80 destiné à coopérer à force avec le cône morse précité. Ainsi seule la partie active doit tre Cnl un matériau présentant les qualités de coupe exigées pour l'usinage. carbure de tungstène ou acier rapide supérieur (HSS) notamment, la partie support pouvant être constitucée par un acier ou un carbure de type courant présentant simplement de bonnecs caractéristiques de résistance à la flexion. En effct. l'expéricnce montre quc l'acier rapide supérieur (par exemple du type M42) permet un copeau plus petit donc un moindre effort à la coupe alors que, par contre. le carbure résiste bien à la flexion. La liaison entre les cônes 7 et 80 est assurée par un montage à force sous une précontrainte déterminée (par exemple 1 tonne) mais suffisamment faible pour rester dans une limite élastique, la possible rotation entre la fraise 3 et la tige 8 lors des efforts de coupe étant évitée par l'adjonction d'une goupille 9 traversant à la fois cette tige au niveau d'un orifice 82 et la queue de la fraise au niveau d'un orifice 70, les axes de ces orifices 82 et 70 étant décalés d'une distance déterminée fonction des caractéristiques géométriques et mécaniques de la goupille choisie. De préférence. la goupille est constituée par une goupille fendue élastique. L'angle des cônes est déterminé de telle sorte qu'il assure un compromis entre coincement et positionnement. Avantageusement, les arêtes vives 72 de l'orifice 70 de la queue de fraise sont éliminées (ébavurage) pour faciliter la pénétration de la goupille et empêcher la formation d'un copeau de nature à usiner la goupille. Ce montage en deux parties, outre qu'il permet de diminuer globalement le coût de l'outil par la limitation dc l'utilisation d'aciers spéciaux à la seule partie active de l'outil, permet de changer l'outil plusieurs fois tout en avant recours à la même tige support. Il doit être noté que ce montage est aussi approprié pour l'usinage de la fraise elle-même et des essais ont montrés qu'il est ainsi possible à partir d'une même tige d'usiner ces fraises avec une répétibilité des dimensions de la fraisc garantie. L'usinage de la fraise est réalisé sur un support court o la fraise est bloquée sur un appui conique grâcc à une "baïonnctte" hélicoïdale et une goupille traversante. On peut, avec cc svstèmc, tailler ct affûter une quantité quasi illimitée de fraises. Le temps de montage réduit et l'abscncc dc réglages que procure ce système favorisent la production cn grande série. REVENDICATIONS 1. Fraise à copier munie d'un corps cylindrique ou conique avant une extrémité sphérique, caractérisée en ce que cette extrémité sphérique constituant la partie active (3) de la fraise comporte plusieurs cannelures (30) inclinées d'un angle déterminé 0 par rapport à l'axe longitudinal de la fraise et pratiquées suivant un arc de cercle à une distance déterminée x du plan médian P dc la fraise, une face interne et une face externe de chacune de ces cannelures constituant après usinage respectivement une face de coupe (31) et des faces de dépouille (32, 33, 34) de chaque dent de cette fraise. 2. Fraise à copier selon la revendication 1. caractérisée en ce que lesdites faces de dépouille comportent une face dc première dépouille (34) et une face de contredépouille présentant au moins une première facette (32). 3. Fraise à copier selon la revendication 1 ou la revendication 2, i5 caractérisée en ce ladite face de coupe comporte un angle de coupe y donné par l'équation suivante: y = Arcsin[x tg0 x(R-x)] R étant le rayon de la fraise. 4. Fraise à copier selon la revendication 1. caractérisée en ce que lesdites cannelures s'étendent sur un arc compris entre 90 et 120 . 5. Fraise à copier selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte de six à douze dents toutes convergentes vers son centre. 6. Fraise à copier selon la revendication 5, caractérisée en ce que, lorsqu'elle comporte un nombre impair de dents, seule l'une d'entre elles (40) s'étend jusqu'à l'axe longitudinal de rotation de la fraise. 7. Fraise à copier selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite extrémité sphérique comporte une queue conique (7) destinée à coopérer avec une partie conique femelle correspondante (8(0) du corps cylindrique, un dispositif d'arrêt (9) traversant à la fois le corps et la queue pour interdire toute rotation entre ces deux éléments. 8. Fraise à copier selon la revendication 7. caractérisée en ce que ledit dispositif d'arrêt est constitué par une goupille fendue élastique. 9. Procédé de fabrication de la partie active d'une fraise à copier à extrémité sphérique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6. caractérisé par le fait que, l'axe longitudinal A de la fraise étant incliné d'un angle 0 déterminé par 1/0 rapport à l'horizontale, il comporte les phases d'usinage suivantes exécutées à partir d'une pièce formée d'une tête sphérique (3) et d'une queue conique (7): a) taillage d'une cannelure (30) d'une profondeur déterminée sur une portion déterminée de la tête sphérique par rotation de la fraise autour d'un axe perpendiculaire C au plan horizontal passant près du centre de cette tête sphérique. b) rotation de la fraise d'un angle prédéterminé, dépendant du nombre de dents de la fraise à réaliser, autour de son axe longitudinal A. c) répétition des phases a) et b) pour toutes les dents. d) affûtage de la face de coupe sur une profondeur déterminée d'une face interne (31) de la cannelure par rotation de la fraisc autour de l'axe C, l'angle de coupe y variant avec une distance x prédétermiinée existant entre le plan médian P de la fraise passant par son centre et le plan de l'outil d'affûtage (1). e) rotation de la fraise d'un angle déterminé. dépendant du nombre dc dents de la fraise à réaliser, autour de son axe longitudinal A, f) répétition des phases d) et e) pour toutes les dents. g) affûtage d'une première facette dune face de contredépouille (32) par rotation de la fraise autour de l'axe C. h) rotation de la fraise d'un angle détcrminé, dépendant du nombre de dents de la fraise à réaliser, autour dc son axe longitudinal A. i) répétition des phases g) et h) pour toutes les dents, j) affûtage d'une face de dépouille (34) par rotation de la fraise autour de l'axe C, k) rotation de la fraise d'un angle déterminé, dépendant du nombre de dents de la fraise à réaliser, autour de son axe longitudinal A. 1) répétition des phases j) et k) pour toutes les dents. 10. Procédé de fabrication de la partie active d'une fraise à copier à extrémité sphérique selon la revendication 9. caractérisé en ce qu'il comporte des phases supplémentaires de m) rotation dc la fraise autour de son axe longitudinal A et de n) affûtage d'une seconde facette (33) de la face de contredépouille, ces phases étant mises en oeuvre entre les phases g) et h) précédentes. 11. Procédé de fabrication de la partie active d'une fraise à copier à extrémité sphérique selon la revendication 9 ou la revendication 10. caractérisé en ce que les phases d'affûtage d). g). j) et n) comportent unc étapc de plongée de l'outil d'affûtage dans la fraise à usiner. l'étapc d'usinage proprement dit par rotation de la fraise et une étape de retrait et dc retour de l'outil d'affûtage dans sa position de départ.