Brevet FR2946551A1 — publié le 20101217

Le domaine de la présente invention est celui de l'usinage des matériaux et plus particulièrement celui des matériaux de grande dureté tels que les composites à matrice céramique (CMC) ou à matrice organique (CMO). Les matériaux composites à matrice céramique sont réputés pour leur difficulté à être usinés et leur action abrasive sur les outils qui tentent de les usiner. Peu de matériaux, mis à part le diamant, sont capables de les usiner correctement tout en ayant des durées de vie suffisantes. Le diamant est utilisé le plus couramment dans les outils d'usinage sous une forme polycristalline, ou PCD (Diamant Polycristallin). On le retrouve généralement sous la forme de plaquettes qui sont brasées sur un corps d'outil. Les PCD sont obtenus par frittage de particules de diamant avec un liant chimico-mécanique, tel que du cobalt, sous forte pression et à haute température. Comme pour les carbures, différentes tailles de particules, allant du micron à quelques dizaines de microns (11,tm à 401,tm), sont utilisées pour la fabrication. Le liant cobalt permet la cohésion des grains de diamant et l'association des deux confère des propriétés de coupe intéressantes à l'outil final. Toutefois la matrice cobalt est insuffisamment résistante et les grains de diamant sont peu à peu arrachés lors de l'usinage, ce qui rend le PCD insuffisamment performant dans l'usinage des céramiques. Par ailleurs des outils de coupe ont été imaginés avec un matériau en diamant monocristallin. La suppression de la matrice permet en effet d'éviter le phénomène d'arrachement décrit plus haut et donc d'améliorer la durée de vie de l'outil. Le diamant monocristal (MCD) industriel est obtenu par compaction d'un mélange de poudre, naturelle ou synthétique, de carbone et d'un alliage métallique (nickel, cobalt ou fer) à haute pression et haute température, suivie d'un refroidissement dans des conditions étroitement contrôlées pour piloter la croissance du cristal. Après refroidissement, on libère les diamants de l'alliage métallique à l'aide d'acides. Les dispositifs monocristallins utilisés, tel par exemple que 35 celui décrit dans la demande de brevet US 2008/0 253849, présentent une seule arête et sont bien adaptés à l'usinage de pièces dures par enlèvement de copeaux sur un tour, dans le 2 but d'obtenir des pièces de forme cylindrique ou/et conique par des passes successives. Ils ne sont pas propices à la réalisation d'une fraise-lime, qui agit dans l'épaisseur et qui soit capable d'usiner des matériaux très durs, comme les composites à matrice céramique ou organique. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients en proposant un outil qui ne présente pas certains des inconvénients de l'art antérieur et notamment qui permette l'usinage des matériaux en composite à matrice céramique ou à matrice organique dans l'épaisseur, tout en présentant une durée de vie satisfaisante. A cet effet, l'invention a pour objet un outil rotatif pour l'usinage de matériaux de grande dureté, tels que les composites à matrice céramique ou à matrice organique, comportant une surface de coupe réalisée en diamant monocristallin, caractérisé en ce que ladite surface de coupe est constituée par une pluralité d'arêtes de coupe réparties de façon régulière sur la circonférence de l'outil. La pluralité d'arêtes de coupe permet une progression régulière de l'outil et l'absence de phénomènes vibratoires lors de l'usinage des CMC ou des CMO. De façon préférentielle les arêtes de coupe sont réalisées sous la forme de pyramides saillantes placées en pointes de diamant. De façon encore plus préférentielle les pyramides saillantes ont une hauteur inférieure à 2 mm. Dans un mode alternatif de réalisation ladite surface de coupe 25 est constituée par des nervures positionnées parallèlement les unes aux autres. Préférentiellement l'outil est réalisé sous la forme d'une fraise-lime. L'invention concerne également un procédé d'usinage pour 30 matériaux de grande dureté, tels que les composites à matrice céramique ou à matrice organique, comportant l'utilisation d'un outil tel que décrit ci-dessus. L' invention sera mieux comprise, et d' autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au 35 cours de la description explicative détaillée qui va suivre, d'un mode de réalisation de l'invention donné à titre d'exemple purement illustratif et non limitatif, en référence aux dessins schématiques annexés. 3 Sur ces dessins : - la figure 1 est une vue de face d'un outil selon un mode de réalisation de l'invention, destiné à l'usinage de matériaux en composite 5 à matrice céramique ou à matrice organique ; - la figure 2 est une vue détaillée de la partie terminale de l'outil de la figure 1. En se référant à la figure 1, on voit un outil d'usinage 1 cylindrique du type fraise-lime, qui se termine à son extrémité inférieure 10 par une partie multi-dents 2, qui forme l'organe de coupe. La partie supérieure, sans dents, est destinée à être implantée dans une machine-outil, telle qu'une fraiseuse ou une meuleuse, sur laquelle elle est montée par une liaison classique connue de l'homme du métier. La partie multidents 2 a vocation à usiner des matériaux de très grande dureté, comme 15 des matériaux composites à matrice céramique ou à matrice organique. La partie multi-dents est réalisée en un monocristal de diamant, qui est brasé, ou synthétisé in situ, sur la partie supérieure de l'outil. Ce monocristal est taillé, par un processus d'électroérosion, sous la forme de dents pointues et acérées de façon à générer une surface de coupe pour 20 les matériaux à usiner. En se référant à la figure 2 on voit un mode de réalisation de la partie multi-dents. Les dents sont réalisées sous la forme de pyramides à base carrée 3, dont les arêtes qui font saillie radialement vers l'extérieur de l'outil constituent les dispositifs de coupe. 25 A la différence de l'art antérieur qui ne présente qu'une seule surface de coupe, la multiplicité des arêtes permet une attaque, dans son épaisseur, du matériau à usiner. La dureté du diamant procure une bonne résistance à l'usure de l'outil et lui assure une durée de vie satisfaisante. La multiplicité des arêtes de coupe est essentielle pour obtenir 30 une bonne qualité de l'usinage dans le cas d'un matériau composite, à matrice métallique CMC ou à matrice organique CMO, qui est constitué par un amalgame de fibres orientées dans toutes les directions de l'espace. On constate alors avec ces matériaux que si l'on utilise un outil rotatif à simple surface de coupe celui-ci ne progresse pas de manière 35 régulière et est soumis à des phénomènes vibratoires qui dégradent sa qualité d'usinage. Il ne génère qu'une seule attaque du matériau par tour 4 de rotation et produit un usinage imparfait du fait d'un phénomène de délaminage des fibres constitutives du matériau composite. Par la multiplication des arêtes de coupe on obtient une réduction des effets de choc constatés auparavant avec des outils à une seule ou même deux surfaces de coupe, et la suppression des phénomènes de résonance vibratoire associés. Au final cela se traduit par une progression plus régulière de l'outil et donc un meilleur contrôle de la coupe. On peut alors augmenter la vitesse de rotation et la vitesse d'avancement de l'outil et ainsi effectuer l'usinage du matériau dans des temps plus courts. L'invention propose donc un outil cylindrique du type fraise-lime dont l'extrémité est réalisée en diamant monocristallin et dont la périphérie extérieure est constituée par une multitude d'arêtes de coupe. Pour obtenir ce résultat les arêtes ont, de préférence, la forme de pyramides régulières à base carrée 3 dont le sommet est dirigé vers l'extérieur de l'outil. Elles sont disposées selon une configuration dite en pointes de diamant. Dans une version alternative, non représentée, les arêtes peuvent être des nervures alignées parallèlement les unes aux autres pour constituer une surface abrasive. L'alignement de ces nervures peut être réalisé dans l'axe de rotation de l'outil ou être incliné par rapport à cet axe. On va maintenant décrire le processus de réalisation d'un outil 25 d'usinage des matériaux en CMC ou CMO selon un mode de réalisation de l'invention. Un mono cristal de diamant est synthétisé de façon connue sous la forme a priori d'un cylindre ; ce procédé pourrait tout aussi bien être appliqué à une portion de sphère ou à une toute autre forme 30 géométrique, selon l'utilisation envisagée pour l'outil. Il est ensuite monté, par brasure, en extrémité du corps de l'outil 1 ; le cristal peut également, dans une version alternative, être réalisé directement in situ, sur l'outil, par croissance à partir d'un germe. La partie diamant est ensuite taillée et affûtée sous la forme de 35 dents pointues et acérées, a priori par électroérosion. Ces dentures sont agencées en pointe de diamant, c'est-à-dire qu'elles ont la forme de pyramides régulières à base carrée 3. A titre d'exemple les pyramides présentent une base carrée de 2 mm de côté et une hauteur de 1 mm. Ces dimensions peuvent varier autour de ces valeurs, en fonction de l'état de surface recherchée, modifiant ainsi l'engagement des pointes diamant dans le matériau à usiner. Préférentiellement la hauteur des pyramides n'excède pas 2 mm. En associant les qualités mécaniques du diamant avec l'acuité et le grand nombre des arêtes de coupe des dentures en pointe de diamant, on obtient un outil capable d'usiner conventionnellement, à la manière d'un outil rotatif, des matériaux très durs comme les CMC ou les CMO. Bien que l'invention ait été décrite en relation avec plusieurs modes de réalisation particuliers, il est bien évident qu'elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de l'invention. REVENDICATIONS1. Outil rotatif pour l'usinage de matériaux de grande dureté, tels que les composites à matrice céramique ou à matrice organique, comportant une surface de coupe (2) réalisée en diamant monocristallin, caractérisé en ce que ladite surface de coupe est constituée par une pluralité d'arêtes de coupe réparties de façon régulière sur la circonférence de l'outil. 2. Outil selon la revendication 1 dans lequel les arêtes de coupe sont réalisées sous la forme de pyramides saillantes (3) placées en pointes de diamant. 3. Outil selon la revendication 2 dans lequel les pyramides saillantes (3) ont une hauteur inférieure à 2 mm. 4. Outil rotatif selon la revendication 1 dans lequel ladite surface de coupe est constituée par des nervures positionnées parallèlement les unes aux autres. 5. Outil selon l'une des revendications 1 à 4 réalisé sous la forme d'une fraise-lime. 6. Procédé d'usinage pour matériaux de grande dureté, tels que les composites à matrice céramique ou à matrice organique, comportant l'utilisation d'un outil (1) selon l'une des revendications 1 à 5.