Brevet FR2749204A1 — publié le 19971205

PROCEDE ET DISPOSITIF D'USINAGE ET DE TRAITENENT DE SURFACE COMBINES D'UNE PIECE MéCANIQUE La présente invention concerne un dispositif et un procédé d'usinage et de traitement combinés d'une pièce mécanique. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans les domaines de l'industrie faisant appel à des matériaux durs, et notamment les industries automobile et aéronautique lorsqu'il s'agit par exemple d'usiner et de traiter en surface des paliers de pièces mécaniques tournantes comme les boîtes de vitesse ou les arbres de sortie de transmission. Certains matériaux utilisés dans l'industrie présentent une dureté telle qu'ils sont très difficiles, voire impossibles à usiner par outil coupant. Parmi ces matériaux, on peut citer les aciers XC42 trempé et 35NDC16, l'alliage de titane TA6V, l'inconel 718 et les céramiques type Si3N4. Pour apporter une solution à cette difficulté, ont été développées diverses techniques d'assistance à l'usinage regroupées sous le terme générique usinage à chaud". Le principe de base de ces procédés réside dans le fait que la plupart des matériaux présentent une évolution marquée de leurs caractéristiques mécaniques en fonction de la température. En particulier, la diminution de la résistance au cisaillement induite par un échauffement du matériau se traduit par une réduction des efforts de coupe et donc à une diminution des sollicitations mécaniques sur l'outil tranchant. La technique d'usinage à chaud a été mise en oeuvre sous diverses formes: chalumeau oxhydrique, courant électrique, friction et torche plasma. Tous ces procédés ont certes montré l'efficacité du préchauffage de la matière pour diminuer les efforts de coupe mais ils n'en présentent pas moins un même inconvénient, à savoir que la densité de puissance de la source thermique n'est en général pas suffisante pour assurer un échauffement sélectif du matériau. La conséquence directe en est qu'une grande partie de la chaleur apportée diffuse dans le matériau et induit des changement de phase ou des croissances de grains inacceptables sur le produit fini. C'est pour remédier à cet inconvénient qu'a été introduite une nouvelle technique d'usinage à chaud, connue sous le nom d'usinage assisté par laser (U.A.L.), qui consiste à utiliser comme source de chaleur le rayonnement d'un faisceau laser, par exemple le rayonnement infra-rouge émis par un laser YAG ou C02. Les densités de puissance obtenues de cette manière peuvent atteindre des valeurs très élevées, supérieures à 106W/cm2, sur des surfaces très réduites, inférieures à 1 mm2. Le laser apparaît donc bien comme la source la plus appropriée pour la mise en oeuvre de l'usinage à chaud. Un dispositif d'usinage assisté par laser comprend, d'une manière générale, ou est juxtaposé sur une machine classique, tour ou fraiseuse par exemple, munie d'un outil de coupe destiné à usiner la pièce dans une zone de coupe. Ledit outil de coupe peut être tout aussi bien un outil à charioter qu'un outil à dresser ou encore un outil à tronçonner. Un faisceau laser de coupe est focalisé, à l'aide de moyens de focalisation solidaires de l'avancement de l'outil de coupe, sur la pièce à usiner au moins au voisinage de ladite zone. La puissance du faisceau laser de coupe est dimensionnée de manière à amener le matériau constitutif de la pièce dans la zone de coupe à la température proche de la transformation austénique du matériau, c'est-à-dire à une température à partir de laquelle ledit matériau se ramollit, provoquant ainsi une diminution de sa résistance au cisaillement et de la contrainte d'écoulement. En U.A.L., seule une section de matière est chauffée par le faisceau laser de coupe. Le mouvement d'avance de l'outil assure la stabilité du processus puisque l'outil permet d'enlever la section chauffée sous forme de copeau et donc d'éviter une diffusion de chaleur importante dans la pièce usinée. Les principaux avantages de l'usinage assisté par laser sont la diminution des efforts de coupe et de l'amplitude des vibrations, l'augmentation de la durée de vie de l'outil, la réduction du volume apparent du copeau, l'amélioration de la qualité de surface et de la géométrie de la pièce, la possibilité d'utiliser des outils de coupe bon marché et d'éviter l'emploi des fluides de coupe. Enfin, un dernier avantage très important est d'élargir le champ d'application des opérations d'usinage à de nouveaux matériaux jusqu'à présent non usinables par les moyens conventionnels tels les céramiques. De manière habituelle, les pièces mécaniques sont, après usinage, soumises à un durcissement réalisé par traitement thermochimique dans des fours de cémentation ou carbonitruration conduisant à la formation d'une structure métallurgique dure : la martensite. A la suite de cette opération de traitement de surface, une reprise de finition de la pièce doit être effectuée par rectification plongée avec meule de forme ou rectification dite centerless au défilé. La succession des deux opérations de traitement de surface de durcissement et d'usinage de finition pose actuellement un certain nombre de problèmes. Tout d'abord, les distorsions géométriques induites par le traitement thermique de surface imposent une reprise de finition importante se traduisant par une épaisseur durcie résiduelle qui doit être limitée pour la fonction palier. D'autre part, l'organisation de la production se trouve perturbée par la durée de l'opération de traitement de surface par voie thermochimique, supérieure à 3 heures, ainsi que par la nécessité du transport de la pièce pour l'acheminer du site de traitement en atelier capacitaire à l'atelier de finition. Enfin, la rectification prolongée exige la mise en oeuvre de machines de dimension importante, coûteuses en outillage, telles que les meules de forme, et qui surtout imposent de travailler par classe d'appariement au montage de l'ordre de 15 Mm en automobile. Aussi, le but de la présente invention est de proposer un dispositif d'usinage et de traitement de surface combinés d'une pièce mécanique en un matériau donné, comprenant: - une machine munie d'un outil de coupe pour l'usinage de ladite pièce dans une zone de coupe, - une source laser émettant un faisceau laser de coupe, - des moyens de focalisation, solidaires dudit outil, aptes à focaliser ledit faisceau laser sur ladite pièce au moins au voisinage de ladite zone de coupe, le faisceau laser de coupe étant apte à amener le matériau de la pièce dans la zone de coupe au moins à la température de début de transformation austénitique dudit matériau, dispositif qui permettrait de résoudre les problèmes mentionnés plus haut, liés aux opérations successives de traitement de surface et de rectification qui doivent être effectuées à la suite de l'usinage proprement dit. Ce but est atteint, selon la présente invention, du fait que ledit dispositif comprend également: - un faisceau laser de traitement de surface, - des moyens de focalisation, solidaires dudit outil, aptes à focaliser ledit faisceau laser de traitement de surface sur ladite pièce en aval de la zone de coupe, le faisceau laser de traitement de surface étant apte, consécutivement à la coupe, à amener le matériau de la pièce en phase martensitique. L'invention concerne également un procédé d'usinage et de traitement de surface d'une pièce mécanique en un matériau donné, ladite pièce étant maintenue dans une machine munie d'un outil de coupe pour l'usinage de ladite pièce dans une zone de coupe, ledit procédé comprenant les étapes suivantes - générer un faisceau laser de coupe, - focaliser ledit faisceau laser sur ladite pièce au moins au voisinage de ladite zone de coupe de manière à amener le matériau de la pièce dans la zone de coupe au moins à la température de début de transformation austénitique dudit matériau, caractérisé en ce que ledit procédé comprend également les étapes suivantes - générer un faisceau laser de traitement de surface, - focaliser ledit faisceau laser de traitement de surface sur ladite pièce en aval de la zone de coupe de manière à amener, consécutivement à la coupe, le matériau de la pièce en phase martensitique. Ainsi, le traitement de surface est réalisé simultanément en temps masqué avec l'usinage assisté par laser sur la même machine, sans changement de prise de pièce et en un temps de cycle très court, inférieur à 1 mn, afin d'assurer une production en juste à temps, et sans qu'il soit nécessaire de procéder à une passe de rectification. Le dispositif et le procédé conformes à l'invention présentent de multiples avantages: - la rugosité obtenue est inférieure à celle de la rectification, d'où une meilleure résistance au risque de grippage des paliers. De plus, les efforts de coupe sur machine étant très faibles, il en résulte des précisions de forme plus serrées au niveau de la cylindricité, - la vitesse de refroidissement par auto-trempe, supérieure à 1000"C/s, est plus élevée que par trempe traditionnelle à l'huile, inférieure à 1000C/s, d'où obtention d'une dureté plus élevée propice à la résistance à l'usure par abrasion des paliers, - il est possible d'usiner et de traiter toutes familles de pièces de différents diamètres et longueurs sans changement d'outillage de forme, ceci du fait du pilotage des paramètres de mise en oeuvre du dispositif, - l'encombrement du dispositif se limite à celui de la machine avec l'adjonction d'au moins une source de rayonnement laser, d'où une occupation de surface au sol moindre que celle d'un four de traitement et d'une rectifieuse, - l'organisation de la production est améliorée avec suppression des classes d'appariement et la fabrication en juste à temps sans transport ni stockage de pièces. La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée. - la figure 1 est une vue schématique en perspective d'une pièce mécanique en cours d'usinage et de traitement de surface à l'aide du dispositif de l'invention; - la figure 2 est un diagramme tempstempérature-transformation pour un acier mi-dur illustrant l'histoire thermique du procédé selon l'invention - la figure 3 est un schéma d'un premier exemple de réalisation du dispositif d'usinage et de traitement de surface combinés conforme à l'invention; - la figure 4 est un schéma d'un deuxième exemple de réalisation du dispositif d'usinage et de traitement de surface combinés conforme à l'invention; - la figure 5 est un schéma d'un troisième exemple de réalisation du dispositif d'usinage et de traitement de surface combinés conforme à l'invention. La vue en perspective de la figure 1 montre une pièce mécanique 10 en un matériau réputé dur et difficile à usiner: fonte blanche, acier spécial, alliage à base de nickel, ou céramique. La pièce 10 est montée sur une machine, non représentée mais qui dans l'exemple de la figure l est un tour, afin d'y être usinée à l'aide d'un outil 20 de coupe, ici un outil à charioter. On définira la zone 30 de coupe comme la surface de contact entre l'outil 20 et la pièce 10 à usiner. Sur la figure 1, la zone 30 de coupe a la forme d'un chanfrein. La technique utilisée pour tourner la pièce 10 est celle de l'usinage assisté par laser selon laquelle un faisceau laser de coupe est focalisé en un point 11 de la pièce 10 dans ou à proximité de la zone 30 de coupe à l'aide de moyens de focalisation qui seront décrits plus loin en regard des figures 3 à 5. Le faisceau laser de coupe est issu par exemple d'une source de rayonnement infra-rouge telle qu'un laser YAG ou C02 fonctionnant en continu. La puissance dudit faisceau laser de coupe est telle que le matériau de la pièce 10 dans la zone 30 de coupe est amené au moins à la température AC1 du début de transformation austénitique dudit matériau. On peut voir sur la figure 2 un diagramme température-tempstransformation indiquant les différentes phases d'un acier mi-dur délimitées par les transitions AC1 de début de transformation ferrite + perlite/austénite, AC3 de fin de transformation ferrite + perlite/austénite et MS de début de transformation austénite/martensite. Au-delà de la transition ACl, l'apparition de la phase austénitique s'accompagne d'un ramollissement du matériau qui réduit de manière significative, jusqu'à 80%, les efforts de coupe ainsi que les vibrations. Le dimensionnement de la puissance du faisceau laser de coupe doit, bien entendu, tenir compte d'un certain nombre de paramètres comme, par exemple, la nature du matériau de la pièce 10 à usiner, les conditions de coupe, l'état de surface avant et après usinage, forme et métallurgie de l'outil. A titre d'exemple, pour un tour à axe horizontal tournant à grande vitesse, au moins 4500 tour/mn, afin d'obtenir des vitesses de coupe supérieures à 200 m/mn sur des pièces typiquement de 25 mm de diamètre, on peut, avec un faisceau laser de coupe d'environ 3 kW focalisé en amont de la zone de cisaillement de coupe à 3 mm du bec de l'outil 20, atteindre une température comprise entre 700 et 11000C pour des aciers mi-durs, s'accompagnant d'une réduction des efforts allant de 40 à 70%. Comme le montre la figure 1, le dispositif d'usinage et de traitement de surface combinés conforme à l'invention comprend un second faisceau laser, dit de traitement de surface, focalisé en un point 12 de la pièce 10 en aval de la zone 30 de coupe par rapport à la direction d'avancement de l'outil 20 de coupe. Ce faisceau laser de traitement de surface a pour but d'amener, après usinage, le matériau de la pièce 10 en phase martensitique, plus dure, par auto-trempage à partir de la phase austénitique, ainsi que l'illustre la figure 2. A cet effet, ledit faisceau laser de traitement de surface peut, dans les mêmes conditions que précédemment, avoir une puissance de 5 kW de manière à amener dans un premier temps le matériau de la pièce 10 en phase austénitique à une température supérieure à 10000C pour ensuite obtenir par trempage dans la matière un durcissement martensitique de dureté HV supérieure à 75 sur des profondeurs jusqu'à 0,5 mm pour des aciers de teneur en carbone d'au moins 0,5%. La figure 3 donne un premier exemple de réalisation du dispositif objet de l'invention dans lequel, conformément à la figure 1, les faisceaux laser de coupe Fc et de traitement de surface Ft sont distincts, le premier étant focalisé sur le chanfrein 30 de coupe et le second, légèrement en aval. Les deux faisceaux laser Fc, Ft sont issus d'une même source 40 de rayonnement laser, laser YAG ou CO2 continu par exemple. La séparation du faisceau initial Fo émis par la source 40 est effectué par une lame semi-transparente La. Le rayonnement transmis par ladite lame La constitue le faisceau laser Fc de coupe qui est repris par une tête tournante 61 de focalisation, type guide d'onde, apte à focaliser le faisceau laser Fc sur la zone 30 de coupe de la pièce 10 à usiner. De même, le faisceau laser Ft de traitement de surface est formé par le rayonnement réfléchi par la lame semi-transparente La qui, après réflexion sur un miroir déflecteur M3, en cuivre, est repris de la même façon par une deuxième tête tournante 62 de focalisation du faisceau laser Ft en aval de la zone 30 de coupe. L'outil 20 de coupe est monté sur un chariot transversal 21 pour déplacer ledit outil perpendiculairement à l'axe de la pièce 10. Ledit chariot transversal 21 est lui-même placé sur un chariot longitudinal 22 qui déplace l'ensemble chariot transversal/outil parallèlement à l'axe de la pièce 10. Afin de solidariser les têtes 61, 62 de focalisation du mouvement de l'outil 20 de coupe, le trajet du faisceau laser initial Fo est, après passage à travers un dispositif 50 de rattrapage d'alignement, divisé en trois segments orthogonaux respectivement parallèles aux directions Z, Y et X de l'espace, au moyen de miroirs M1 et M2 de renvoi à 900 en cuivre. Des dispositifs 51, 52, 53 de déplacement en translation respectivement selon ces trois directions, asservis sur les mouvements de l'outil 20 de coupe, assurent le maintien de la focalisation du faisceau laser Fc de coupe dans la zone 30 de coupe et celle du faisceau laser Ft de traitement de surface en aval de ladite zone. Dans le mode de réalisation de la figure 4, la séparation du faisceau laser initial Fo en deux sousfaisceaux Fc et Ft est réalisé à l'aide du miroir double M3 en cuivre et des miroirs de renvoi M4 et M5. Enfin, la figure 5 montre un autre exemple de réalisation dans lequel le faisceau laser initial Fo n'est pas séparé et constitue en lui-même le faisceau laser Fc de coupe focalisé sur la zone 30 de coupe par la seule tête tournante 60 de focalisation. Le faisceau laser Ft de traitement de surface est obtenu au moyen d'un récupérateur 70 d'énergie du faisceau laser Fc de coupe, installé sur le chariot longitudinal 22, après réflexion du faisceau laser Fc sur le chanfrein de la zone 30 de coupe. I1 faut également mentionner une variante avantageuse du dispositif de l'invention consistant dans le fait que les faisceaux laser de coupe et de traitement de surface ne forment qu'un seul et unique faisceau laser, le faisceau initial Fo. Dans ce cas, la focalisation des points 11 et 12 confondus est ajustée en bordure aval de zone 30 de coupe, juste au pied du chanfrein de manière à permettre en un seul chauffage du matériau entre 10000C et 11000C, à une vitesse de coupe des 100 m/mn, d'austéniser et de ramollir simultanément le matériau coupé à chaud lors du refroidissement avant transformation martensitique. Cette variante présente l'avantage de simplifier à un seul trajet les moyens de focalisation laser. La description ci-dessus du dispositif d'usinage et de traitement de surface combinés d'une pièce mécanique conduit à mettre en oeuvre un procédé qui comprend les étapes suivantes - générer un faisceau laser Fc de coupe, - focaliser 61, 60 ledit faisceau laser Fc sur ladite pièce 10 au moins au voisinage de ladite zone 30 de coupe de manière à amener le matériau de la pièce 10 dans la zone 30 de coupe au moins à la température Acl de début de transformation austénitique dudit matériau, - générer un faisceau laser Ft de traitement de surface, et - focaliser 62, 70 ledit faisceau laser Ft de traitement de surface sur ladite pièce 10 en aval de la zone 30 de coupe de manière à amender, consécutivement à la coupe, le matériau de la pièce 10 en phase martensitique. Le faisceau laser Ft de traitement de surface peut être généré par une même source 40 de rayonnement laser dont le faisceau unique est focalisé en bordure aval de la zone 30 de coupe. Le faisceau unique de rayonnement laser émis par une même source 40 peut être séparé pour obtenir le faisceau laser Fc de coupe et le faisceau laser Ft de traitement de surface. REVENDICATIONS 1 - Dispositif d'usinage et de traitement de surface combinés d'une pièce mécanique (10) en un matériau donné, comprenant: - une machine munie d'un outil (20) de coupe pour l'usinage de ladite pièce (10) dans une zone (30) de coupe, - une source laser émettant un faisceau laser (Fc) de coupe, - des moyens (61; 60) de focalisation, solidaires dudit outil (20), aptes à focaliser ledit faisceau laser (Fc) sur ladite pièce (10) au moins au voisinage de ladite zone (30) de coupe, le faisceau laser (Fc) de coupe étant apte à amener le matériau de la pièce (10) dans la zone (30) de coupe au moins à la température (Acl) de début de transformation austénitique dudit matériau, caractérisé en ce que ledit dispositif comprend également: - un faisceau laser (Ft) de traitement de surface, - des moyens (62; 70) de focalisation, solidaires dudit outil (20), aptes à focaliser ledit faisceau laser (Ft) de traitement de surface sur ladite pièce (10) en aval de la zone (30) de coupe, le faisceau laser (Fc) de traitement de surface étant apte, consécutivement à la coupe, à amener le matériau de la pièce (10) en phase martensitique. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les faisceaux laser de coupe (Fc) et de traitement de surface (Ft) sont distincts, la focalisation du faisceau laser (Fc) de coupe étant réalisée dans la zone (30) de coupe. 3 - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les faisceaux laser de coupe (Fc) et de traitement de surface (Ft) sont issus d'une même source (40) de rayonnement laser. 4 - Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les faisceaux laser de coupe (Fc) et de traitement de surface (Ft) sont obtenus par séparation géométrique du rayonnement issu de ladite source (40). 5 - Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le faisceau laser (Ft) de traitement de surface est obtenu au moyen d'un récupérateur (70) d'énergie du faisceau laser (Fc) de coupe. 6 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les faisceaux laser de coupe (Fc) et de traitement de surface (Ft) forment un faisceau laser unique focalisé en bordure aval de la zone (30) de coupe. 7. - Procédé d'usinage et de traitement de surface d'une pièce mécanique (10) en un matériau donné, ladite pièce étant maintenue dans une machine munie d'un outil (20) de coupe pour l'usinage de ladite pièce (10) dans une zone (30) de coupe, ledit procédé comprenant les étapes suivantes - générer un faisceau laser (Fc) de coupe, - focaliser (61, 60) ledit faisceau laser (Fc) sur ladite pièce (10) au moins au voisinage de ladite zone (30) de coupe de manière à amener le matériau de la pièce (10) dans la zone (30) de coupe au moins à la température (Acl) de début de transformation austénitique dudit matériau, caractérisé en ce que ledit procédé comprend également les étapes suivantes - générer un faisceau laser (Ft) de traitement de surface, - focaliser (62, 70) ledit faisceau laser (Ft) de traitement de surface sur ladite pièce (10) en aval de la zone (30) de coupe de manière à amener, consécutivement à la coupe, le matériau de la pièce (10) en phase martensitique. 8. - Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le faisceau laser (Fc) de coupe et le faisceau laser (Ft) de traitement de surface sont générés par une même source (40) de rayonnement laser dont le faisceau unique est focalisé en bordure aval de la zone (30) de coupe. 9. - Procédé selon la revendication 7 dans lequel le faisceau laser (Fc) de coupe et le faisceau laser (Ft) de traitement de surface sont issus d'une même source (40) de rayonnement laser, caractérisé en ce que ledit procédé comprend, en outre, l'opération préalable suivante - séparer le faisceau de rayonnement laser issu d'une meme source (40) pour obtenir ledit faisceau laser (Fc) de coupe et ledit faisceau laser (Ft) de traitement de surface.