Brevet FR2801234A1 — publié le 20010525

OUTILS DE COUPE AVEC REVETEMENT DIAMANT CVD POUR L'USINAGE SUR MACHINES-OUTILS La présente invention concerne un pré-traitement des arêtes de coupe des outils en carbure de tungstène monobloc avant leur revêtement d'une couche de diamant par procédé CVD (Chimique Vapeur Déposition) et après revêtement diamant, la réalisation d'un chanfrein sur les arêtes de coupe revêtues de diamant CVD pour améliorer leur acuité. Ces outils sont utilisés sur machines outils, tours, perceuse fraiseuses, aléseuses, ou centre d'usinage. Le pré-traitement est réalisé sur les parties coupantes des outils qui sont les intersections entre les faces de coupe et les dépouilles sur les deux faces, ou sur une des deux faces sur des largeurs qui varient de 0,2 à 0,5 mm par rapport au bord des arêtes de coupe. Les outils peuvent être des plaquettes de coupe amovibles dites : plaquettes à jeter, des outils rotatifs, fraises alésoirs forets ou autre outils de coupe spéciaux. Suivant les outils, le pré-traitement peut être fait sur les faces de coupe et sur les dépouilles ou seulement sur une des 2 faces, face ou dépouille. Les outils traditionnels revêtus diamant par procédé CVD ne possèdent pas ce type de pré-traitement. Le traitement actuel avant revêtement CVD,peut être réalisé par attaque chimique du cobalt contenu dans le carbure de tungstène, de manière à créer des micro-porosités sur les faces et les dépouilles. Ce traitement permet l'accrochage du revêtement diamant par procédé CVD. Le liant cobalt qui relie les grains de tungstène dans le carbure de tungstène est attaqué et détruit par des acides chlorhydriques et fluorhydrique sur une profondeur de 2 à 6 microns . La profondeur d'élimination du liant cobalt varie suivant la granulométrie du carbure et son pourcentage en cobalt. Des profondeurs d'attaque chimique du cobalt et son élimination sur une profondeur de 2à 3 microns sont réalisés pour les outils destinés aux travaux de finition dont la granulométrie des grains de carbure est de 0,5 à 1 micron. Des profondeurs d'attaque chimique du cobalt sur des profondeurs de 4 à 6 microns sont réalisées sur les outils d'ébauche dont les granulométries sont comprises entre 1 à 3 microns . Le pourcentage en cobalt du carbure doit être inférieur à 10% dans tous les cas. Le pourcentage de 4% est un pourcentage optimum pour la réalisation de revêtement diamant par procédé CVD Les volumes libérés lors de l'élimination du cobalt après traitement chimique sont très faibles. Ils ne permettent pas un accrochage important du revêtement diamant sur les parties coupantes de l'outil. Les outils actuels ainsi revêtus sont limités à l'usinage de matériaux à faible effort de coupe : graphite carbone et matériaux composites. La pré-traitement, suivant l'invention ,permet d'améliorer l'adhérence du revêtement diamant sur les outils. Après ce pré- traitement et après revêtement diamant CVD, les outils peuvent être utilisés à grande vitesse pour usiner des matériaux dans lesquels les efforts et les échauffements de coupe sont importants. La planche de dessins annexés référence 1I1, illustre l'invention. Les figures la, lb, 1c, et 1d représentent différents types d'outils, les figures 2a, et 2b les différentes formes et alignements des alvéoles et les figures 3a et 3b, la structure des alvéoles et l'accrochage du revêtement diamant dans les alvéoles. Ce pré-traitement avant revêtement peut être réalisé sur des outils avec arêtes de coupe ( 4 ) droites : plaquettes de tournage et de fraisage, hélicoïdales: forets fraises, circulaires fraises ou plaquettes hémisphériques ou de formes et géométries spéciales. Selon des modes particuliers de réalisation, le pré-traitement peut être réalisé par laser, bombardement électronique ou par tout autre moyen capable de réaliser des alvéoles le long des arêtes de coupe des outils. Dans le cas d'un pré-traitement par usinage laser yag un système avec une puissance de 100 watts peut-être utilisé. Les impulsions de 5 ns sont envoyées pour créer des impacts distants de 5 à 40 microns avec une profondeur d'impact qui peut varier de 2 à 30 microns.Avec une vitesse de déplacement de 20 à 100 mm/s; les impacts laser créent des alvéoles le long des arêtes de coupe de l'outil ( 4 ). En fonction du temps de l'impact du rayon laser et de sa vitesse de déplacement, les alvéoles peuvent avoir des formes sphériques (7) ou des formes oblongues ( 8 ) . Les diamètres des alvéoles sphériques se situent suivant les application, entre 10 et 30 microns et les dimensions des formes oblongues entre 10 et 30 microns de large et 20 à 50 microns de longueur pour des profondeurs d'alvéoles qui mesurent entre 2 et 30 microns. Le choix de la forme des alvéoles est fonction du degrés d'accrochage du revêtement que l'on veut réaliser et de la qualité des arêtes de coupe ( 4 ) recherchée. Formes sphériques (7 ) Diamètre 2 à 30 microns avec profondeur (10 ) des alvéoles entre 2 et _5 microns pour les outils devant avoir des qualités d'arêtes de coupe( 4 ) très fines, et formes oblongues ( 8 ) largeurs entre 2 et 20 microns et longueurs entres et 60 microns avec profondeurs entre 5 et 30 microns pour les outils destinés aux travaux d'ébauche en particulier pour le fraisage des aluminiums chargés de plus de 10 % de silicium. Les largeurs (3) des zones traitées sur les faces de coupe (2) et sur les dépouilles(1) des outils, ou sur l'une des deux faces, mesurent entre 0,2 à 0,5 mm par rapport au bord des arêtes de coupe ( 4 ) de l'outil pour des profondeurs d'alvéoles qui varient entre 2 et 30 microns. Les alignements ou les inclinaisons des rangées d'alvéoles par rapport aux arêtes de coupe (4) pourront varier en fonction de l'application de l'outil. Pour certains outils tels que les alésoirs et les fraises en carbure, les alignements (16) seront parallèles aux arêtes du diamètre extérieur de l'outil. Pour les plaquettes de fraisage les inclinaisons des alignements ( 9) des alvéoles pourront varier de plus ou moins 45 par rapport aux arêtes de coupe (4 ) des plaquettes. Les zones traitées, face en dépouille ( 1 ) et face de coupe ( 2 ) ou l'une de ces deux faces se rejoint ou se rejoignent , lorsque les deux faces sont traitées, sur l'arête de coupe ( 4 ). Après le pré-traitement, les outils sont micro-sablés avec des abrasifs grosseur 0,02 à 0,05 mm pour éliminer les scories dues au travail du laser ou du bombardement électronique. Après cette phase de nettoyage, les outils subissent un traitement chimique aux acides chlorhydrique et fluorhydrique pour éliminer toute trace du liant cobalt sur la surface des alvéoles et à leur périphérie. La durée de ce traitement chimique à l'acide est fonction des profondeurs des porosités que l'on souhaite obtenir dans les alvéoles, et des nuances des matériaux à traiter ; la durée totale du traitement peut varier de 40 s à 2 mn par outil. Après traitement chimique les outils sont rincés avec de l' eau désionisée, séchés et étuvés avant revêtement diamant CVD. Les alvéoles (7 ) ou ( 8 ) ainsi traitées ont leur surface tapissées de micro-porosités ( 15 ) dues à l'élimination du cobalt sur leur surface intérieure. Ce traitement chimique augmente la surface et les points d'accrochage du revêtement diamant ( 5 ) dans les porosités (15) des alvéoles et en même temps crée d'autres porosités autour des zones qui ont reçu le pré-traitement. Les alvéoles et les porosités sont ensuite comblées par le diamant ( 5) au moment du revêtement. L'épaisseur du revêtement diamant par procédé CVD peut varier de 2 microns à environ 30 microns. Cette épaisseur est variable suivant les dimensions des alvéoles, des nuances des matériaux traités, des matières à usiner ainsi que du type d'usinage. Les grosses alvéoles, diamètre 10 à 20 microns et profondeur de 10 à 20 microns et épaisseur du revêtement de 20 à 30 microns sont réservées pour les travaux d'ébauche dans les aluminiums très chargés en silicium. Les épaisseurs de revêtement de 2 à 6 microns sont réservées pour les travaux qui nécessitent une bonne acuité des arêtes de coupe (4). Pendant l'opération de revêtement CVD, le diamant ( 5 ) va croître dans les alvéoles ( 7 ) ou ( 8 ) et en même temps s'incruster dans les porosités (15) créées par l'attaque chimique à l'intérieur des alvéoles ( 7) ou ( 8) et à leur périphérie. Au moment de l'utilisation des outils les efforts de coupe seront répartis sur toutes les surfaces des alvéoles situées sur les arêtes de coupe. Le revêtement est accroché mécaniquement sur une plus grande surface avec des points d'appuis positifs dans les alvéoles et les porosités et de ce fait, n'a pas tendance à se décoller comme il le fait quand les surfaces (1) et (2) ne sont pas pré-traitées. Pour les plaquettes d'ébauche de tournage et de fraisage, avant revêtement, et avant le pré-traitement et l'attaque chimique du cobalt, pour augmenter la résistance des arêtes de coupe ( 4 ), un chanfrein ( 18 ) de 0,05mm avec un angle négatif de 20 est réalisé dans le sens longitudinal des arêtes de coupe. Après revêtement pour augmenter l'acuité des arêtes de coupe (4 ) et pour supprimer l'arrondi des arêtes de coupe qui se forme au- cours du revêtement CVD, un léger chanfrein (14) dont la largeur varie de 0,05 mm à 10 à O,lmm à 20 est rectifié dans le sens longitudinal ou transversal. Ce chanfrein permet d'obtenir une arête de coupe (17) parfaitement tranchante. Le pré-traitement suivant l'invention et la rectification des arêtes de coupe après revêtement diamant CVD, permet la réalisation d'outils, destinés à usiner les aluminiums, les graphites, les carbones, les composites et la majorité des matériaux non ferreux : cuivre, laiton, bronze etc ... A titre d'exemple, des plaquettes de fraisage pour l'usinage des aluminiums chargés de plus de 12 % de silicium ont été pré-traitées avec des porosités oblongues de 30 microns de long, 10 microns de large, 20 microns de profondeur et des angles d'inclinaison d'alvéoles de plus ou moins 45 par rapport à la longueur de l'arête de coupe (4). Un chanfrein de protection ( 14) de 0,05mm à 20 a été rectifié après revêtement pour augmenter la résistance et l'acuité de l'arête de coupe ( 4) Le revêtement diamant à été réalisé avec une épaisseur de 20 microns. Les performances ont été supérieures de plus de 60 % par rapport à des plaquettes revêtues sans pré-traitement et sans chanfrein sur les arêtes de coupe. Après 120 heures d'usinage l'usure en dépouille était de l'ordre de 0,15 mm contre 0,25 mm pour les plaquettes sans pré-traitement. Le pré, traitement suivant l'invention est particulièrement destiné aux outils avec revêtement diamant par procédé CVD pour usinage sur machines-outils. REVENDICATIONS. 1 Procédé de pré-traitement des arêtes de coupe des outils en carbure de tungstène, pour permettre une meilleure adhérence du revêtement diamant déposé par procédé CVD caractérisé par l'usinage au moyen d'un faisceau laser ou par bombardement électronique, le long des arêtes de coupe, de micro-alvéoles sur les faces de coupe ( 2 ) et les dépouilles ( 1 ) ou sur une des deux faces (1) ou( 2 ) des outils sur une largeur comprise entre 0,2mm et 0,5mm. 2 Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que les micro-alvéoles sont de formes sphériques ( 7 ) ou oblongues ( 8 ) et usinées le long des arêtes de coupe (4). Les dimensions des alvéoles varient de 2 à 30 microns de diamètre ou de longueur avec des profondeurs de 2 à 30 microns. 3 Procédé suivant la revendication 2 caractérisé en ce que les alvéoles sont usinées parallèlement ( 16) ou suivant des angles ( 9 ) par rapport aux arêtes de coupe (4 ) 4 Procédé suivant les revendications 2 et 3 caractérisé en ce qu'il concerne, après la réalisation des alvéoles de faire une attaque chimique à l'intérieur de ces alvéoles pour supprimer le cobalt et créer des porosités ( 15 ) sur les surfaces intérieures des alvéoles ai-in d'augmenter les points d'accrochage du revêtement diamant. 5 Procédé selon la revendication 4 caractérisé en ce que les alvéoles sont comblées par le diamant au moment du revêtement. 6 Procédé suivant la revendication 5 qui consiste à augmenter l'acuité de la coupe des outils après revêtement diamant par l'usinage des arêtes de coupe ( 4 ), d'un chanfrein d'une valeur de 0,05 à 0,10 mm de large, avec un angle qui peut varier de 10 à 20 . 7 Outil de coupe effectué selon l'une quelconque des revendications précédentes de 1 à 6, caractérisé en ce que après avoir réalisé un pré-traitement, les alvéoles sont comblées par le revêtement diamant CVD et ensuite est réalisé un chanfrein (14)