Brevet FR2827204A1 — publié le 20030117

de billes à coefficient de frottement élevé. OUTIL DE COUPE ROTATIE ET PROCEDE D'USINAGE GRANDE VITESSE AVEC NANO LUBRIFICAI1O, UTILISANT UN TEL OUTIL DESCRIPTION Domaine technique L' invention concerne un cutil de coupe rotatif, conqu notamment pour rdaliser le pergage 1Q direct d'un alsage, en pleine matire, la finition ou la rectification d'un alAsage existant, ou encore un usinage planAtaire. L' invention concerne galement un procd d'usinage grande vitesse, avec de la nano luErification, utilisant un outil de ccupe selon l' invention. Icutefois, ces conditions de travail ne sont pas limitatives. Ainsi, l'outil de coupe selon l' invention peut aussi Atre utilis pour effectuer des usinages avec une lubrification par de l'huile de coupe en mulsion ou par micro pulvrisation, ou encore avec une circulation d' air comprim afin de refroidir la suface de ccupe. Etat de la technique De fagon connue, un outil de coupe ctatif comprend successivement, selon sa longueur, une partie ccupante de diamtre d et de longueur [, (longueur utile de coupe), une partie de dgagement de diamtre dl de l'cutil sur la machine. La partie coupante de l'outil comporte au moins une arête de coupe latérale, taillée en hélice selon un angle d'hélice He. Chaque arête de coupe latérale est constituée d'un témoin cylindrique, de faible largeur, suivi d'une première dépouille latérale et d'au moins une deuxième dépouille latérale, parfois appelée contre dépouille latérale. La dernière dépouille latérale est suivie d'une goujure qui permet l'évacuation des copeaux. La partie coupante de l'outil comporte aussi autant d'arêtes de coupe en bout qu'il existe d'arêtes de coupe latérales. Chaque arête de coupe en bout est constituée d'une première dépouille en bout suivie d'au moins une deuxième dépouille en bout, parfois appelée contre dépouille en bout. De façon connue et comme on l'a illustré schématiquement sur les figures la et lb des dessins annexés, on caractérise les arêtes de coupe d'un outil de coupe rotatif par un certain nombre de paramètres. Parmi ces paramètres, on a représenté sur la figure la l' angle de coupe en bout A, l' angle de dépouille en bout B. la largeur de dépouille en bout C et l' angle de contre dépouille en bout D. Sur la figure lb, on a représenté l' angle de coupe latéral E, l' angle de dépouille latéral F. la largeur de dépouille latérale G et l' angle de contre dépouille latérale H. Un autre paramètre, non illustré sur les figures la et lb, est l' angle de creux. Cet angle est défini comme étant l' angle entre l'arête de coupe en bout et un plan orthogonal à l'axe de rotation de l'outil. A titre d'exemple, dans le cas d'un outil de coupe clasique utilisA en usinage grande vitesse avec micro pulvrisaLion, l' angle d'hlice peut Atre de 17 , l' angle de coupe en bout de 10 , l' angle de dpouille en bout de 9' et la longueur utile de coupe gale 0,5 d, d tant le diamtre de coupe. [armi les outils de coupe rotatifs, certains sont conqus pour Atre utiliss en usinage grande vitesse. Parmi ces outils, on citera titre d'exemple 1Q ceux fabriqus par la Socitd DIAGER sous les rfArences 41.001 et 46.201. De tels outils ont une ou plusieurs artes de coupe et comportent autant de canaux hlicoidaux de luErification, enrouls autour de leur axe de rotation, qu'ils ont d'arAtes de coupe. Ils sont prvus pour tre utiliss avec une lubrification par une mulsion d'huile de coupe ou par micro pulv6risation de gouLtelettes d'huile de dimenions de l'ordre de quelques microns. Une telle luErification pose des problmes, lis notamment la quantitd importante de luErifiant qu'elle conduit utiliser. Un premier problAme concerne la ncessitd de dgraisser ultArieurement les pices usindes. Cette opration est cobteuse. De plus, il convient de prendre en compte son impact sur l'environnement. En effet, le dgraissage des pices est frAquemment dalis au moyen de solvants, dont l'utilisation est rglemente de plus en plus sAvArement. Un deuxiAme problAme lid l'utilisation de quantits importantes de lubrifiant est relatif au suroobt qui en rAsulte, du fait du prix dudit lubrifiant. Un autre problème concerne la pollution de l'aLmosphère de l'atelier. En effet, cette pollution peut entraîner des risques d' allergies pour les personnels travaillant dans cet atelier. Encore un autre problème concerne la nécessité de détruire une quantité importante de lubrifiant usagé, ce qui est pénalisant, d'une part, en raison du coût de destruction et, d'autre part, en raison des rejets qu'elle entraîne dans l'environnement. Il est possible de réduire fortement la quantité de lubrifiant empleyé en remplacant la micro pulvérisation par la nano pulvérisation. Cette technique consiste à pulvériser des gouttelettes d'huile de dimensions de l'ordre de quelques nanomètres. Elle est parfois mise en _uvre au moyen d'une buse qui pulvérise le lubrifiant sur la surface usinée ou à proximité immédiate de celle-ci. Toutefois, cette technique est difficile à mettre en _uvre dans le cas de trous profonds tels que ceux qui peuvent être usinés au moyen d'outils de coupe équipés de canaux de lubrification hélicoïdaux, par exemple les outils DIAGER cités précédemment. Ainsi, des essais effectués en remplacant la micro pulvérisation par de la nano pulvérisation, dans les canaux hélicoïdaux de lubrification des outils précités, ont conduit à des trous de mauvaise qualité et/ou à la cassure des outils. Ces problèmes ont pour origine une lubrification quasi nulle de la surface de coupe, due au fait que les gouttelettes d'huile ne parviennent pas à sortir correctement des canaux de lubrification. En effet, du fait que ces derniers sont hélicoïdaux et donc décalés par rapport à laxe de rotation de l'outil, lorsque celui-ci tourne à grande vitesse, les nano gouttelettes d'huile sont soumises à des forces centrifuges importantes (radiales par rapport à l'axe de rotation). Ces forces centrifuges plaquent les nano gouttelettes contre les parois des canaux de lubrification, o elles se condensent. Par conséquent, l'avance des nano gouttelettes vers la surface de coupe, dans le sens de l'axe de rotation de l'outil, est rendue négligeable. La surface de coupe n'est donc pas lubrifice correctement. De plus, après un certain temps d'utilisation de l'outil, les gouttelettes condensées peuvent arriver à obLurer les canaux de lubrification. Enfin, le document US-A-5 429 459 décrit un outil de coupe rotatif permettant de percer un trou dans une pièce, puis d'aléser ce trou en effectuant un mouvement orbital. L'outil comporte à son extrémité deux arêtes de coupe en bout formant entre elles une pointe en forme de V. Un fluide sous pression, destiné à l'évacuation des copeaux hors du trou, est injecté dans l'outil par un canal central prolongé par deux canaux inclinés qui débouchent à l'extrémité de l'outil, derrière les deux arêtes de coupe en bout. Exposé de l' invention L' invention a précisément pour objet un outil de coupe rotatif dont la conception originale lui permet notamment de réaliser des usinages à grande vitesse avec une nano lubrification, en assurant des caractéristiques de finition correctes et un risque très réduit de cassure de l'outil. Conformément à l' invention, ce résultat est obtenu au moyen d'un outil de coupe rotatif comprenant une partie coupante centrce sur un axe de rotation de l'outil et comportant une surface latérale dotée d'au moins une arête de coupe latérale et une surface dextrémité dotée d'au moins une arête de coupe en bout, des moyens d'amence de fluide étant prévus pour amener le fluide sur la surface d'extrémité, à proximité de chaque arête de coupe en bout, les moyens d'amenée de lubrifiant comprenant un canal central de lubrification percé selon l'axe de rotation de l'outil et au moins un canal secondaire reliant une extrémité non débouchante du canal central à la surface d'extrémité, à proximité de chaque arête de coupe en bout, caractérisé en ce que l'arête de coupe en bout forme, avec un plan perpendiculaire à l'axe de rotation de l'outil, un angle de creux en bout compris entre environ 3 et environ 20C. L'amence de nano goutelettes de lubrifiant par un canal central de lubrification percé selon l'axe de rotation de l'outil permet de réaliser un canal de diamètre suffisant, sans affaiblir notablement la solidité de l'outil et en limitant les forces centrifuges appliquées sur les nano gouttelettes de lubrifiant. De plus, du fait que le canal central de lubrification est centré sur l'axe de rotation de l'outil, il n'introduit pas de balourd. Afin de limiter au maximum le phénomène de centrifugation des gouLtelettes d'huile, l'extrémité non débouchante du canal central est avantageusement située à proximité immédiate de la surface d'extrémité de la partie coupante. En d'autres termes, la longueur des canaux secondaires est la plus faible possible. Afin de limiter les pertes de charge, les canaux secondaires présentent, de préférence, des sections dont la somme est au moins égale à la section du canal central. Chaque arête de coupe en bout comprenant, de façon habituelle, une première dépouille en bout et au moins une dépouille secondaire en bout, chacun des canaux secondaires débouche avantageusement dans ladite dépouille secondaire, à une distance d' au moins 0, 5 mm de la première dépouille en bout. On utilise de préférence un outil dans lequel l' angle de creux en bout est sensiblement égal à 6C. Pour des raisons comparables, chaque arête de coupe latérale comprend avantageusement un témoin cylindrique de largeur non nulle, inférieure à 0,1. Afin d'améliorer encore la qualité des usinages, chaque arête de coupe en bout comprend de préférence une première dépouille en bout de largeur comprise entre 0,3 mm et 0,4 mm. Avantageusement, cette largeur est sensiblement égale à 0,3 mm. De façon habituelle, l'outil comprend successivement, au-delà de la partie coupante et selon l'axe de rotation de l'outil, une partie de dogagement de diamètre d et une partie de queue de diamètre dQ. Pour ne pas fragiliser l'outil, ces deux parties sont avantageusement raccordées l'une à l'autre selon un rayon de raccordement RR au moins égal à (dQ-di)/2, avec un minimum de 0,1 dQ. Pour des raisons similaires, les arêtes de coupe latérale et en bout sont avantageusement raccordées entre elles par un arrondi ou un chanfrein de 0,1 mm orienté à 45ô par rapport à l'axe de rotation de l'outil. L' invention concerne également un procédé de coupe utilisant un outil de coupe rotatif tel que défini ci-dessus. Ce procédé consiste à usiner un alésage dans une pièce par un mouvement de rotation de l'outil autour de son axe et un mouvement d'avance de loutil selon ledit axe, tout en injectant par le canal central et par le canal secondaire un fluide constitué de nano gouttelettes de lubrifiant. Brève description des dessins On décrira à présent, à titre d'exemple illustratif et non limitatif, un mode de réalisation préféré de l' invention, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels: -les figures la et lb, déjà décrites, montrent les principaux paramètres de coupe, respectivement en bout et latérale, caractérisant les arêtes de coupe d'un outil de coupe; -la figure 2 est une vue en bout d'un outil de coupe conforme à l' invention; et -les figures 3a et 3b sont des vues de côté de l'outil de coupe selon l' invention, prises respectivement dans le sens des flèches FA et FB sur la figure 2, décalées entre elles de 90 autour de l'axe de rotation de l'outil. Description détaillée d'un mode de réalisation préféré de l' invention Comme on l'a représenté sur les figures 2, 3a et 3b, un outil de coupe rotatif conforme à l' invention comprend, de facon connue, trois parties distinctes réparties selon sa longueur, c'est-à-dire le long d'un axe de rotation 10 de l'outil. En partant de l'extrémité de coupe de l'outil, ces trois parties comprennent une partie coupante 12, une partie de dégagement 14 et une partie de queue 16. La partie coupante 12 présente un diamètre d, appelé "diamètre de coupe" et une longueur Lu, appelée "longueur utile de coupe". La partie de dégagement 14 présente un diamètre d1 tel que d fonction des diamètres admissibles par la machine. Dans le mode de réalisation préféré de l' invention illustré sur la figure 3a, la partie de dogagement 14 et la partie de queue 16 sont raccordées l'une à l'autre selon un rayon de raccordement RR au moins égal à (dQ-d)/2. De plus, la valeur minimale de ce rayon de raccordement RR est de 0,1 dQ. Ces caractéristiques permettent de ne pas fragiliser l'outil à la limite entre la partie de queue 16 et la partie de dégagement 14. Pour des raisons similaires, dans le mode de réalisation preféré de l' invention illustre sur les figures 3a et 3b, la partie de dégagement 14 et la partie coupante 12 de l'outil sont raccordees l'une à l'autre par un chanfrein (non représenté) formant un angle dienviron 30 par rapport à l'axe de rotation 10 de l'outil. L'utilisation d'un rayon de raccordement est exclue, du fait qu'il s'agit d'une partie taillée de l'outil. De façon connue, la partie coupante 12 de l outil comporte une surface latérale ou périphérique dotée d'au moins une arête de coupe latérale 18 (deux sur les figures 2, 3a et 3b) et une surface d'extrémité dotée d'autant d'arêtes de coupe en bout 20 que ladite partie coupante 12 comporte d'arêtes de coupe latérale. Plus précisément, chaque arête de coupe en bout 20 est raccordée sur une arête de coupe latérale 18. Dans le mode de réalisation préféré de l' invention, ce raccordement est assuré par un arrondi ou un chanfrein (non représenté) de 0,1 mm, orienté à environ 45 par rapport à l'axe de rotation 10 de loutil. Cette caractéristique permet de ne pas trop fragiliser l'outil. Selon une caractéristique essentielle de l' invention, l'outil de coupe rotatif illustré sur les figures 2, 3a et 3b comprend des moyens d'amenée de lubrifiant de conception originale, conçus pour permettre une utilisation de la nano lubrification en usinage à grande vitesse. De façon plus précise, ces moyens d'amence de lubrifiant comprennent un canal central de lubrification 22, percé selon l'axe de rotation 10 de l'outil, de fagon ne pas dboucher sur la surface d'extrdmitd de la partie coupante 12. Les moyens d'amende de lubifiant comprennent galement autant de canaux secondaires 24 qu'il existe d'ardbes de coupe en bout 20. Plus prcisment, chaque canal secondaire 24 relie l'extrdmitd non dbouchante du canal central de luDrification 22 la surface d'extrdmitd de la partie coupante 12, de fagon dboucher proximit de chacune des artes de coupe en bout 20. ['extrdmitd non dbouchante du canal central de luErification 22 est situde proximitd immdiate de la surface d'extrdmitd de la partie coupante 12 de l'outil. Cette caractristique permet de donner aux canaux secondaires 24 une longueur la plus faible possible, afin de limiter au maximum le phAnomAne de centrifugation des gouLtelettes de luErifiant. Dans l'agencement qui vient d'Atre dcrit, le canal central de luDrification 22 prdsente l'avantage de ne pas introduire de balourd puisqu'il est centrd sur l'axe de rotation 10 de l'outil. De plus, cette position centrale permet de rdaliser un canal de diamtre suffisant sans affaiblir notablement la soliditd de l'outil et limite les forces centrifuges appliques sur les nano gouLtelettes. La section du canal central de lubrification 22 est avantageusement fixe une valeur suffisamment leve afin de limiter les pertes de charge lorsque le luErifiant circule dans le canal central 22 pour atteindre les canaux secondaires 24. De prfArence, la somme des sections des canaux secondaires 24 est au moins qale et, de prAfrence, suprieure la section du canal central 22. Dans le cas contraire, on donne à la somme des sections des canaux secondaires 24 une valeur aussi élevoe que possible. Afin d'améliorer encore la qualité des usinages à grande vitesse en présence d'une nano lubrification, on associe de préférence à ces caractéristiques concernant les moyens d'amence de lubrifiant des caractéristiques concernant les paramètres de taille de l'outil. En effet, la présence d'un canal central prolongé par des canaux secondaires conformément à l' invention peut s'avérer insuffisante, dans certains cas, pour réaliser un usinage présentant la qualité souhaitée. Cela s'explique par le fait que, selon la forme géométrique des outils, il peut se produire des vibrations, des frottements, etc. qui peuvent avoir pour conséquences une moindre qualité du trou usiné (tolérances sur le diamètre, état de surface, etc.), une ropLure de l'outil ou une usure prématurée de celui-ci, des efforts excessifs sur la tête de broche supportant l'outil, etc.. Afin de s'affranchir de ces problèmes, l'outil selon l' invention est taillé avantageusement selon des paramètres préférentiels qui vont à présent être exposés. Un premier de ces paramètres concerne l' angle de creux en bout, formé entre l'arête de coupe en bout et un plan perpendiculaire à l'axe de rotation 10 de l'outil. Les valeurs minimale et maximale de cet angle sont de 3 et de 20 , respectivement. La valeur optimale de l' angle de creux en bout est de 6 . Un autre paramètre important est la largeur de dépouille en bout C (figure la), c'est-à-dire la largeur de la premiAre dpouille en bout, observe dans un plan perpendiculaire l'axe de rotation 10 de l'outil, c est--dire dans le plan de la figure 2. Cette largeur est. de prfrence, comprise entre une valeur minimale gale O, 3 mm et une valeur maximale gale O,4 mm. La valeur optimale de la largeur de dpouille en bout est de O,3 mm. Un troisiAme paramAtre prfrentiel concerne la largeur du tAmoin cylindrique de chaque arte de coupe latArale 18. Cette valeur est comprise entre une valeu minimale quelconque non nulle et une valeur maximale gale O,1 mm. En effet, en 1' absence de tAmoin cylindrique on fragilise l'arte de coupe et pour des valeurs suprieures 0,1 mm, il y a trop de frottements sur la surface usinde, ce qui peut entralner des vibrations. Les autes paamtres de taille de l'outil ont moins de consquences sur la qualitd du travail effectud pa l outil. Ainsi, les paramtres concernant les contre dpouilles peuvent varier dans les plages communment admises et pratiqudes. Les valeurs minimales et maximales de l' ensemble des paramAtres de coupe, ainsi que leurs valeurs optimales, sont donndes dans le tableau suivant: Paramètre Valeur Valeur Valeur minimale optimale maximale Largeur du témoin >0 Non 0,1 mm cylindrique spécifice Largeur de 0,3 mm 0,3 mm 0,4 mm dépouille en bout Angle de creux en 3V 6ô 20 bout Angle de coupe en 3V 10 30U bout Angle de 1é 4V 15 30V dépouille en bout Angle de 2' Non 30v Non dépouille en bout spécifié spécifié Angle de coupe 3 10V 2ov latérale Angle de 1- 5 12(+0V;-2v) 2ov dépouille latérale Angle de l'hélice 12- 25v 404 Longueur de coupe 0,25d 2d Dans ce tableau, les valeurs minimale et maximale sont données pour une variation du seul paramètre considéré par rapport à sa valeur optimale ou nominale et non pour des variations simultances de l' ensemble des paramètres. En outre, sanf spécification contraire, des tolérances de +/- 1 sont à prévoir sur les valeurs des angles. Comme on l'a indiqué précédemment, chaque canal secondaire 24 débouche sur la surface d'extrémité de la partie coupante 12 de l'outil, proximitd de l'arte de coupe en bout 20, de prfrence dan l'une de dApouilles secondaires en bout, une distance d' au moins 0,5 mm de la premiAre dpouille en bout. Dans le mode de rdalisation prfAr de l invention qui vient d'@tre dcrit en se rfrant aux figures 2, 3a et 3b, l'outil est optimis de fagon pouvoir travailler en usinage plantaire grande vitesse, avec une nano lubrification. Plus prAcis@ment, les valeurs numriques sont particulirement adaptes au cas d'un outil en carEure de tunstne destin l usinage de pices en aluminium. De manibre plus gndrale, l' invention s' applique des conditions de travail diffrentes. Ainsi, les moyens d'amende de lubrifiant peuvent aussi tre utiliss pour effectuer une lubrification avec de l'huile de coupe en mulsion ou par mico pulvrisation. Ils peuvent aussi servir faire ctrculer de l'air comprim afin de refroidir la surface de coupe. [orsqu'il est utilis pour l'usinage grande vitesse avec nano lutrification, l'outil de coupe selon l' invention est montd sur une machine d'usinage orDital du commerce. A titre d' illustration non limitative, cette machine peut entrainer l'outil de coupe en rotation une grande vitesse d' environ 18000 tours par minute. Une centrale de luDrification est alors galement monte sur la machine d'usinage. La sortie de la centrale de lubrification est relide au canal central de luErification de l'outil, par l intermAdiaie du porte-outil de la machine. La centrale de lubrification est alimentée en air comprimé selon une pression réglable. On injecte ainsi dans le canal central de l'outil des goutelettes dont la taille est de l'ordre de quelques nanomètres. La centrale de lubrification pent notamment être une centrale fabriquée par la Société allemande T.K.M., Spruh-und-Dosiergerate gMbH, Koelleskr 29a, 76189 Karleruhe. REVENDICATIONS 1. Outil de coupe rotatif comprenant une partie coupante (12) centrce sur un axe de rotation (10) de l'outil et comportant une surface latérale dotée d'au moins une arête de coupe latérale (18) et une surface d'extrémité dotée d' au moins une arête de coupe en bout (20), des moyens d'amenée de fluide étant prévus pour amener un fluide sur la surface d'extrémité, à proximité de chaque arête de coupe en bout (20), les moyens d'amenée de fluide comprenant un canal central (22) percé selon l'axe de rotation (10) de l'outil et au moins un canal secondaire (24) reliant une extrémité non débouchante du canal central (22) à la surface d'extrémité, à proximité de chaque arête de coupe en bout (20), caractérisé en ce que l'arête de coupe en bout (20) forme, avec un plan perpendiculaire à l'axe de rotation (10) de l'outil, un angle de creux en bout compris entre environ 3 et environ 20 . 2. Outil de coupe rotatif selon la revendication 1, dans lequel l'extrémité non débouchante du canal central (22) est situce à proximité immédiate de la surface d'extrémité de la partie coupante (12). 3. Outil de coupe rotatif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel les canaux secondaires (24) présentent des sections dont la somme est au moins égale à la section du canal central (22). 4. Outil de coupe rotatif selon l'une quelconque des revendication 1 à 3, dans lequel l' angle de creux en bout est sensiblement égal à 6 . 5. Outil de coupe rotatif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel chaque arête de coupe latérale (18) comprend un témoin cylindrique de largeur non nulle, inférieure à 0,1 mm. 6. Outil de coupe rotatif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel chaque arête de coupe en bout (20) comprend une première dépouille en c ce largeir cor.pise en---e 0,3 mm et 0,4 mm. 7. Outil de coupe rotatif selon la revendication 6, dans lequel la largeur de la première dépouille est sensiblement égale à 0,3 mm. 8. Outil de coupe rotatif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit outil comprend successivement, au-delà de la partie coupante (12) et selon l'axe de rotation (10) de l'outil, une partie de dégagement (14) de diamètre d et une partie de quene (16) de diamètre dQ, raccordées l'une à l'autre selon un rayon de raccordement RR au moins égal à (dQ-d)/2, avec un minimum de 0,1 dQ. 9. Outil de coupe rotatif selon la revendication 8, dans lequel la partie de dogagement (14) et la partie coupante (12) sont raccordées l'une à l'autre selon un angle d' environ 30 . 10. Outil de coupe rotatif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les arêtes de coupe latérale (18) et en bout (20) sont raccordées entre elles par un arrondi ou un chanfrein de 0,1 mm orienté à 45 par rapport à l'axe de rotation de l'outil. 11. Outil de coupe rotatif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chaque canal secondaire (24) débouche sur la surface d'extrémité de la partie coupante (12), dans une dépouille secondaire d'une arête de coupe en bout (20), à une distance d'au moins 0,5 mm d'une première dépouille en bout de ladi e.. >te de coupe en bout. 12. Procédé de coupe utilisant un outil de coupe rotatif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste à usiner un alésage dans une pièce par un mouvement de rotation de l'outil autour de son axe et un mouvement d'avance de l'outil selon ledit axe, tout en injectant par le canal central et par le canal secondaire un fluide