Brevet FR2912676A1 — publié le 20080822

TÊTE D'ACTIONNEMENT POUR MACHINES-OUTILS AUTOMATIQUES La présente invention concerne une tête d'actionnement pour machines-outils automatiques qui consiste en une première pièce qui tourne autour d'un axe parallèle au support principal de la machine-outil, tandis que la seconde pièce tourne autour de la première, sur un plan incliné de 45 . La rotation de ladite seconde unité est commandée par un moteur à courant continu combiné à un entraînement à engrenages et des dispositifs de type connu pour l'élimination du jeu mécanique. La partie terminale de ladite seconde unité a un plan parallèle ou perpendiculaire à l'axe du support principal, qui est muni de connecteurs pour la transmission de signaux électriques et hydrauliques, de bagues à denture frontale de référence et de systèmes de verrouillage de sorte qu'un mandrin mécanique qui reçoit un mouvement via une transmission à couple élevé au niveau du mandrin, ou un mandrin intégrant un moteur consistant en un rotor d'une seule pièce avec le mandrin et un stator d'une seule pièce avec le porte-mandrin interchangeable, puisse être adapté selon les exigences opérationnelles. Cette caractéristique permet à la machine-outil automatique d'être utilisée pour usiner des matériaux très résistants comme le titane et l'acier ou pour effectuer des opérations de dégrossissage à vitesse moyenne à forte production de copeaux, par exemple l'usinage de moules (mandrin mécanique), ou pour l'usinage à grande vitesse sur des alliages légers ou des opérations de finition à grande vitesse sur n'importe quel type de matériau (mandrin motorisé). La présente invention permet une double utilisation de la machine, sans nécessiter le remplacement de la tête tout entière avec le premier axe, le second axe et le mandrin, comme cela est le cas de nombreux dispositifs connus dans lesquels le passage d'un usinage en force à un usinage à grande vitesse requiert le remplacement de l'unité de tête tout entière. L'avantage de la présente invention réside en ce que les temps et les coûts de fonctionnement sont réduits de 80% par rapport à ceux des systèmes connus. Les machines-outils automatiques utilisées pour le fraisage avec production de copeaux comprennent un support qui se déplace le long d'un ensemble de trois axes orthogonaux, une tête d'actionnement avec deux degrés de liberté qui incorpore une unité de mandrin étant adaptée sur ledit support. L'unité de mandrin peut consister en un mandrin mécanique ou un mandrin motorisé, auquel les outils nécessaires à l'usinage sont adaptés selon les exigences. La structure et les caractéristiques desdites têtes d'actionnement varient substantiellement, selon qu'elles sont conçues pour l'exécution d'un usinage de puissance avec un outil à forte production de copeaux, sur des matériaux durs tels que l'acier ou le titane, qui effectue de ce fait des rotations relativement lentes, allant de 10 à 1 000 tours/min avec un maximum de 3 000 tours/min, retirant de grandes quantités de matériau très dur et évacuant par conséquent de grandes forces de réaction et de fortes vibrations sur la structure de la machine-outil. Inversement, lorsqu'un travail de finition doit être exécuté sur les mêmes pièces, ou lors d'un usinage simple ou complexe sur des alliages légers, l'outil doit tourner à des vitesses élevées, allant de 4-5.000 à 20-30.000 tours/min, avec une production de copeaux réduite ou moyenne et de très faibles forces de réaction. Lesdits mandrins motorisés sont aussi utilisés pour des opérations de dégrossissage et des opérations de finition à grande vitesse sur des matériaux légers, principalement l'aluminium. Les contraintes auxquelles l'outil est soumis pendant ces différents types d'usinage, qui sont évacuées sur la structure et les dispositifs amont, requièrent l'utilisation de mandrin ayant des caractéristiques et des dimensions différentes, ce qui veut dire que des têtes d'actionnement différentes doivent être fabriquées. Fondamentalement, selon l'état actuel de la technique, le passage de l'usinage en force à l'usinage à grande vitesse ne peut être effectué qu'en remplaçant la tête d'actionnement tout entière, à un coût très important. Tout ceci signifie une augmentation des coûts généraux, du fait des temps de fabrication prolongés, de la nécessité de deux ou plusieurs têtes d'actionnement complètes avec les raccords associés, ou même de deux ou plusieurs machines distinctes, pour un usinage en force à fort couple à une vitesse réduite/moyenne pour le dégrossissage, et à grande vitesse pour la finition et/ou l'usinage d'alliages légers et autres opérations complémentaires. Ledit problème est maintenant résolu par la présente invention, qui concerne une tête d'actionnement pour machines-outils automatiques dans laquelle l'unité de mandrin est distincte de la seconde unité et interchangeable avec celle-ci, qui peut tourner de 360 à un angle de 45 par rapport à l'unité principale, qui peut à son tour tourner de 360 par rapport au support principal. Cette architecture particulière, dans laquelle la seconde unité qui maintient les divers mandrins interchangeables est montée à un angle de 45 par rapport à la première unité, permet aux contraintes de l'usinage d'être directement évacuées sur le support principal, avec l'avantage supplémentaire de pouvoir passer d'un usinage sur l'axe horizontal à un usinage sur l'axe vertical par simple rotation de 180 du second axe, sans interférence et perte de la course présentée par les unités dans lesquelles la tête porte-mandrin est montée au centre d'une fourche, ou le mandrin est monté selon une configuration saillante comme dans le cas de têtes avec deux axes et un seul épaulement. Dans ces cas, il y aura toujours une perte d'espace libre de travail égale à la distance séparant le second axe de rotation et la partie avant du mandrin, généralement dénommée point de pivotement , qui force le fabriquant de la machine à augmenter la course par rapport aux axes linéaires de la machine-outil automatique de deux fois la valeur du point de pivotement, pour assurer que le mandrin couvre le champ opérationnel tout entier. Tout ceci augmente davantage les coûts. Un autre facteur très important est le fait que la rotation combinée de la première et de la seconde unité conformément à des formules trigonométriques connues permet à l'axe du mandrin d'être orienté de manière continue dans l'espace, permettant ainsi l'usinage avec 5 axes simultanés sur des pièces de n'importe quelle forme ou taille, sans interférence et avec la possibilité d'exécuter un usinage en force à un nombre réduit de tours/min et à couple fort, et le passage à un usinage de grande vitesse par simple remplacement de l'unité de mandrin. Un avantage supplémentaire de la présente invention est le fait qu'en cas d'entretien d'une des unités de mandrin, il n'est pas nécessaire d'arrêter la machine tout entière puisque, du fait du remplacement automatique des unités de mandrin, la machine-outil automatique peut continuer à fonctionner sans le temps d'arrêt (atteignant parfois 15 jours) considéré comme normal par les utilisateurs finals de la machine. La tête d'actionnement pour machines-outils automatiques de l'invention comprend : un premier support monté, de manière à ce qu'il puisse tourner autour d'un premier axe C, sur un support qui se déplace le long d'un ensemble de trois axes cartésiens ; un corps monté sur le support de manière à ce 30 qu'il puisse tourner autour d'un second axe A incliné à un angle de 45 par rapport audit premier axe C ; une unité de mandrin interchangeable, montée de manière amovible sur ledit corps, avec l'axe de rotation incliné à un angle de 45 par rapport audit second axe A. D'autres caractéristiques de l'invention sont indiquées ci-après : -Ladite unité de mandrin peut être soit un mandrin mécanique, soit un mandrin motorisé. - La tête d'actionnement comprend, à l'intérieur dudit premier corps et dudit second corps, des moyens mécaniques qui transmettent la puissance mécanique à ladite unité de mandrin, et des moyens conçus pour transmettre la puissance électrique au dit mandrin motorisé. - La tête d'actionnement comprend des moyens de couplage rapide destinés à fixer ladite unité de mandrin sur ledit corps. - Lesdits moyens de couplage rapide sont constitués d'une pluralité de pinces hydrauliques montées sur ledit corps, qui sont conçues pour serrer des tiges de ladite unité de mandrin. - La tête d'actionnement comprend : un arbre monté sur ledit premier corps qui reçoit le mouvement depuis un moteur de puissance positionné 25 en amont de la tête d'actionnement ; une paire d'engrenages coniques qui transmettent le mouvement à un arbre qui est incliné à un angle de 45 par rapport audit premier arbre, et qui s'étend dudit premier corps audit second corps ; une seconde paire d'engrenages coniques formée par une première roue dentée montée sur ledit arbre et une seconde roue dentée montée sur la broche du mandrin ; des fenêtres étant formées dans ladite structure dudit corps et dans ledit mandrin en correspondance desdites rouas dentées, de sorte à ce qu'au moins l'une d'entre elles fasse partiellement saillie depuis ladite fenêtre de manière à ce que lesdites roues dentées viennent en prise lorsque le mandrin est mis en contact avec ledit corps. - La tête d'actionnement comprend, sur la paroi dudit corps qui entre en contact avec ledit mandrin, une pluralité de connecteurs hydrauliques et de connecteurs électriques, des connecteurs correspondants étant adaptés sur le mandrin. - La tête d'actionnement comprend, sur ledit corps et sur ledit mandrin, des paires de bagues à denture frontale pour le positionnement des diverses unités de mandrin par rapport audit corps. - La première unité de rotation est munie d'une transmission consistant en un moteur électrique, avec un réducteur et un entraînement correspondants, pour commander la rotation de la seconde unité de rotation de manière contrôlée, autour de l'axe A incliné à un angle de 45 par rapport au dit premier axe C. - La tête d'actionnement pour machines-outils automatiques comprend : un premier support monté, de manière à ce qu'il 30 puisse tourner autour d'un premier axe C, sur un support qui se déplace le long d'un ensemble de trois axes cartésiens ; une seconde unité de rotation montée sur ladite première unité de manière à ce qu'elle puisse tourner autour d'un second axe A incliné à un angle de 45 par rapport audit premier axe C ; une unité de mandrin mécanique, interchangeable avec un mandrin motorisé, montée sur ladite seconde unité de rotation ; une transmission qui transmet le mouvement, via lesdits corps et depuis un moteur positionné en amont de la tête jusqu'à un engrenage conique qui, au travers d'une ouverture, vient en prise avec un engrenage conique denLé correspondant monté sur la broche du mandrin ; une paire de bagues à denture frontale montées sur ledit corps et sur ladite unité de mandrin pour assurer le positionnement précis de celui-ci ; des connexions hydrauliques et électriques sur les 20 surfaces opposées dudit corps et de ladite unité de mandrin. La présente invention sera décrite ci-après de manière détaillée, à titre d'exemple uniquement et non pas limitatif, en référence aux figures jointes, sur 25 lesquelles : la figure 1 illustre en coupe transversale une tête à 45 selon l'invention, avec l'unité de mandrin mécanique positionnée verticalement ; la figure 2 représente la vue de face de la même 30 tête d'actionnement à 45 que sur la figure 1, illustrant l'agencement des connecteurs destinés à verrouiller les diverses unités de mandrin et des connecteurs électriques qui commandent les mécanismes d'actionnement automatique ; la figure 3 représente une vue en coupe transversale de la tête à 45 selon l'invention, sur laquelle est adapté un mandrin motorisé, après le remplacement automatique, la seconde unité étant pivotée de 180 et l'axe du mandrin étant positionné horizontalement ; la figure 4 représente une coupe transversale du mandrin motorisé ; la figure 5 est une vue de face du mandrin motorisé illustrant l'agencement des connecteurs de verrouillage et des connecteurs hydrauliques et électriques correspondant agencés dans la même position que sur le mandrin mécanique. Sur la figure 1, le numéro de référence 1 indique un ensemble de tête d'actionnement selon l'invention, monté sur une douille 2, de telle manière qu'une première unité 3 puisse tourner autour d'un premier axe identifié par la lettre C , qui commande la rotation de la première unité 3 via un moteur couple 4 dont le stator est monté d'un seul tenant avec la douille 2, tandis que le rotor 5 commande la rotation de la première unité 3 sur un palier 6. Une seconde unité 7 tourne autour d'un second axe incliné à un angle de 45 par rapport au premier, identifié par la lettre A , sur un palier 8. La rotation est commandée par une transmission consistant en un moteur à courant continu, un réducteur et des engrenages qui forment un ensemble 9 et qui s'engrènent avec une couronne 10 formant une seule pièce avec l'unité 7. L'unité de mandrin mécanique 11 qui est interchangeable avec le mandrin motorisé illustré sur la figure 4, est. adaptée sur l'unité 7. Un arbre 12, raccordé à un moteur de puissance avec un multiplicateur de couple non illustré sur la figure, transmet le mouvement, par l'intermédiaire d'une paire d'engrenages coniques 13, à un second arbre 14 incliné de 45 , qui tourne autour de l'axe A . La partie terminale de l'arbre 14 est munie d'une seconde paire c'engrenages coniques 15 et 16, dont le premier 15 est monté sur la seconde unité 7, tandis que le second 16 est d'une seule pièce avec l'unité de mandrin 11 et. entraîne directement le mandrin 17 en rotation. L'engrènement de référence et de précision des engrenages 15 et 16 est assuré par une paire de bagues à denture frontale 18 qui assurent aussi le positionnement angulaire précis et répétable de l'unité de mandrin 11 tout entière. La figure 2 représente la fenêtre 19 à travers laquelle l'engrenage 15 est relié à l'engrenage 16 lorsque le mandrin mécanique 11 est adapté, et reste libre lorsque le mandrin motorisé 20 est adapté, comme illustré sur la figure 3. Les deux ou plusieurs unités de mandrin 11 et 20 sont donc adaptées et alignées par rapport à la seconde unité 7 par l'intermédiaire de la double denture frontale 18, et verrouillées au moyen d'une série de goupilles coniques inversées 21, positionnées de la manière requise par leurs dimensions physiques. De plus, sur les deux surfaces correspondantes du couplage des unités de mandrin 11 et 20, il y a une série de connecteurs hydrauliques 22 et de connecteurs électriques 23 de type connu (figures 2 et 5) pour le raccordement de divers accessoires hydrauliques de verrouillage, et l'alimentation en fluides et en électricité pour les connexions électriques du mandrin motorisé, ainsi que pour les divers systèmes de sécurité et de positionnement angulaire. Comme il ressort clairement de la description et des dessins joints, l'unité de mandrin 11 est facile à retirer parce qu'elle n'est raccordée aux dispositifs d'entraînement que par l'intermédiaire d'un couplage qui permet aux deux pièces d'être mises en contact et clavetées par un simple mouvement d'approche rectiligne, ce qui lui permet d'être détachée de l'unité 7 sans la nécessité de retirer une partie quelconque de la tête, en actionnant simplement des pinces 24 pour dégager les goupilles ou tiges 21, et en déconnectant les connecteurs électriques et hydrauliques par un simple mouvement de retrait linéaire. L'unité de mandrin 11 peut donc être retirée facilement et rapidement avec un ou plusieurs mandrins motorisés qui ont les mêmes connecteurs et qui exécutent des types d'usinage différents et/ou complémentaires de ceux qui sont exécutés avec le mandrin mécanique. Les axes de rotation C et A sont aussi équipés de systèmes de mesure (non illustrés) qui permettent un positionnement continu avec une précision au millième de degré, et de systèmes de verrouillage angulaire (non illustrés) qui permettent le verrouillage précis de l'axe du mandrin dans chaque position axiale pour un fonctionnement en mode 3+2 , à savoir avec trois axes linéaires libres, identifiés par les normes ISO comme X, Y et Z, tandis que les deux axes polaires, identifiés comme C et A, sont verrouillés sur des inclinaisons prédéfinies. Dans le cas d'un usinage avec cinq axes simultanés, les groupes moteurs 4 et 9 vont continuellement modifier l'angle de l'axe de l'unité de mandrin au moyen d'une rotation combinée des axes C et A , et en commandant les trois axes linéaires de la machine outil, normalement définis par les normes ISO comme X, Y et Z, par commande numérique. La tête d'actionnement selon l'invention offre par conséquent l'avantage considérable du remplacement d'un premier type de mandrin par un mandrin complètement différent en moins d'une minute ; en particulier, un mandrin mécanique peut être remplacé par un mandrin de finition motorisé, ou vice versa. Pour un usinage de puissance, le mandrin mécanique est mis en contact avec le corps 7 par un mouvement rectiligne ; les bagues à denture avant assurent le positionnement précis et les dents de la paire d'engrenages coniques 15 et 16 s'engrènent à travers les fenêtres correspondantes qui sont positionnées l'une face à l'autre. Le mouvement est transmis depuis un moteur électrique avec unité de réduction de vitesse et multiplicateur de couple (non illustrés sur la figure), à l'arbre 12, et de là, via la paire d'engrenages coniques 13 et 14, aux roues dentées 15 et 16, et enfin à la broche du mandrin 11. Au moment du passage au travail de finition, il suffit de libérer les pinces 24 et de retirer le mandrin mécanique qui peut être facilement remplacé par un mandrin motorisé de type approprié, muni lui aussi d'une bague à denture avant 18 et des tiges 21 qui sont engagées par les pinces. Le mandrin motorisé reçoit l'énergie électrique via des contacts 23 situés sur le corps 7, tandis que les fluides, tels que des fluides de refroidissement, des huiles sous pression pour le serrage en position etc., sont alimentés par l'intermédiaire de connecteurs 22, également sur le corps 7. REVENDICATIONS 1. Tête d'actionnement pour machines-outils automatiques, caractérisée en ce qu'elle comprend : un premier support (3) monté, de manière à ce qu'il puisse tourner autour d'un premier axe C, sur un support qui se déplace le long d'un ensemble de trois axes cartésiens ; un corps (7) monté sur le support (3) de manière à ce qu'il puisse tourner autour d'un second axe A incliné à un angle de 45 par rapport audit premier axe C ; une unité de mandrin interchangeable (11), montée de manière amovible sur ledit corps (7), avec l'axe de rotation incliné à un angle de 45 par rapport audit second axe A. 2. Tête d'actionnement selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite unité de mandrin (11) peut être soit un mandrin mécanique, soit un mandrin motorisé. 3. Tête d'actionnement selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle comprend, à l'intérieur dudit premier corps (3) et dudit second corps (7), des moyens mécaniques (12, 13, 14, 15-16) qui transmettent la puissance mécanique à ladite unité de mandrin (11), et des moyens (23) conçus pour transmettre la puissance électrique au dit mandrin motorisé. 4. Tête d'actionnement selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens de couplage rapide (21, 24) destinés à fixer ladite unité de mandrin sur ledit corps (7). 5. Tête caractérisée rapide sont hydrauliques conçues pour mandrin. 6. Têted'actionnement selon la revendication 4, en ce que lesdits moyens de couplage constitués d'une pluralité de pinces (24) montées sur ledit corps (7), qui sont serrer des tiges (21) de ladite unité de d'actionnement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend : un arbre (12), monté sur ledit premier corps (3) qui reçoit le mouvement depuis un moteur de puissance positionné en amont de la tête d'actionnement ; une paire d'engrenages coniques (13) qui transmettent le mouvement à un arbre (14) qui est incliné à un angle de 45 par rapport audit premier arbre (12), et qui s'étend dudit premier corps (3) audit second corps (7) ; une seconde paire d'engrenages coniques formée par une première roue dentée (15) montée sur ledit arbre (14) et une seconde roue dentée (16) montée sur la broche du mandrin (11) ; des fenêtres étant formées dans ladite structure dudit corps (7) et dans ledit mandrin (11) en correspondance desdites roues dentées (15, 16), de sorte à ce qu'au moins l'une d'entre elles fasse partiellement saillie depuis ladite fenêtre de manière à ce que lesdites roues dentées (15 et 16) viennent en prise lorsque le mandrin (11) est mis en contact avec ledit corps (7). 7. Tête d'actionnement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'ellecomprend, sur la paroi dudit corps (7) qui entre en contact avec ledit mandrin (11), une pluralité de connecteurs hydrauliques (22) et de connecteurs électriques (23), des connecteurs correspondants étant adaptés sur le mandrin (11). 8. Tête d'actionnement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend, sur ledit corps (7) et sur ledit mandrin (11), des paires de bagues à denture frontale (18) pour le positionnement des diverses unités de mandrin (11) par rapport audit corps (7). 9. Tête d'actionnement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la première unité de rotation (3) est munie d'une transmission consistant en un moteur électrique, avec un réducteur et un entraînement correspondants, pour commander la rotation de la seconde unité de rotation (7) de manière contrôlée, autour de l'axe A incliné à un angle de 45 par rapport au dit premier axe C. 10. Tête d'actionnement pour machines-outils automatiques, caractérisée en ce qu'elle comprend : un premier support (3) monté, de manière à ce qu'il puisse tourner autour d'un premier axe C, sur un support qui se déplace le long d'un ensemble de trois axes cartésiens ; une seconde unité de rotation (7) montée sur ladite première unité (3) de manière à ce qu'elle puisse tour2er autour d'un second axe A incliné à un angle de 45 par rapport audit premier axe C ;une unité de mandrin mécanique (11), interchangeable avec un mandrin motorisé, montée sur ladite seconde unité de rotation (7) ; une transmission (12, 13, 14 et 15) qui transmet le mouvement, via lesdits corps (3) et (4) depuis un moteur positionné en amont de la tête jusqu'à un engrenage conique (15) qui, au travers d'une ouverture, vient en prise avec un engrenage conique denté correspondant (16) monté sur la broche du mandrin ; une paire de bagues à denture frontale (18) montées sur ledit corps (7) et sur ladite unité de mandrin (11) pour assurer le positionnement précis de celui-ci ; des connexions hydrauliques et électriques (22, 23) 15 sur les surfaces opposées dudit corps (7) et de ladite unité de mandrin (11).