Brevet FR2949204A1 — publié le 20110225

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. Ils sont généralement découpés ou rectifiés par jet d'eau, mais alors avec une précision faible, et 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). 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. 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. A côté de cet usinage par contact mécanique entre l'outil et la pièce à usiner, on connait une méthode d'usinage des composites par ultra-sons. Elle est notamment décrite dans le brevet EP 0362449 de l'Office National d'Études et de Recherches Aérospatiales (ONERA). Elle porte sur un outil, ou sonotrode, relié à un ensemble vibrant à une fréquence ultrasonore qui transmet ces vibrations à un abrasif, tel que du carbure de bore. L'abrasif est placé en suspension dans un liquide qui est envoyé sur la pièce à usiner, entre l'extrémité de la sonotrode et la pièce. Les particules ont pour effet d'opérer un micro-martellement sur la pièce et de l'éroder. L'outil s'enfonce progressivement dans la pièce, en reproduisant sa forme propre. Cette méthode suppose que l'écart entre la sonotrode et le matériau soit correctement maîtrisé. Quelle que soit la méthode envisagée pour l'usinage des pièces en CMC ou CMO, elle ne permet pas une capacité d'usinage alliant une 35 bonne précision et une vitesse de coupe satisfaisante. 2 La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients en proposant une méthode d'usinage des matériaux composites à matrice céramique ou à matrice organique qui fonctionne à une vitesse relativement élevée et qui ne se traduise pas par une usure excessivement rapide de l'outil utilisé. A cet effet, l'invention a pour objet une machine pour l'usinage de matériaux durs tels que les matériaux composites à matrice métallique ou à matrice organique, comportant une sonotrode reliée à un ensemble vibrant à une fréquence ultrasonore déterminée et au moins une buse d'envoi sur la surface à usiner d'un liquide dans lequel des particules abrasives sont en suspension, lesdites particules étant mises en vibrations à ladite fréquence ultrasonore par la sonotrode, caractérisé en ce que la sonotrode est entraînée en rotation autour d'un axe parallèle à la direction des vibrations pour former une tête de fraisage apte à se déplacer dans un plan sensiblement perpendiculaire audit axe vibratoire. La sonotrode agit ainsi de deux façons simultanément, ce qui permet d'augmenter la vitesse à laquelle s'effectue l'usinage, et/ou d'attaquer des matériaux très durs en conservant une profondeur de passe raisonnable. De façon préférentielle la tête de fraisage a la forme d'un cylindre dont le pourtour est recouvert de particules en matériau dit super dur. Dans un mode particulier de réalisation le matériau dit super dur est du diamant polycristallin. Dans un autre mode de réalisation le matériau dit super dur est du nitrure de bore cubique. Préférentiellement lesdites particules abrasives sont réalisées en carbure de bore. De façon alternative lesdites particules abrasives sont réalisées 30 en diamant polycristallin. L'invention concerne également un procédé d'usinage de matériaux durs tels que les matériaux composites à matrice métallique ou à matrice organique, à l'aide d'une machine telle que décrite ci-dessus, la sonotrode vibrant dans une direction sensiblement perpendiculaire à la 35 surface à usiner et se déplaçant dans un plan sensiblement perpendiculaire à sa direction de vibration. 3 Avantageusement la sonotrode est entraînée en vibrations à une fréquence sensiblement égale à 20 KHz. De façon préférentielle la vitesse de rotation de ladite sonotrode est comprise entre 10 000 et 40 000 tr/min. Avantageusement la machine opère par passes successives, la profondeur de chaque passe étant inférieure ou égale à 0,5 mm. De façon préférentielle la vitesse d'avancement axial est supérieure à 500 mm/min. De façon encore plus préférentielle la vitesse d'avancement 10 axial est comprise entre 500 et 1000 mm/min. L' invention sera mieux comprise, et d' autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au 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 15 non limitatif, en référence aux dessins schématiques annexés. Sur ces dessins : - la figure 1 est une vue schématique du fonctionnement d'une machine de fraisage par ultrasons selon l'art antérieur ; - la figure 2 est une vue schématique du fonctionnement d'une 20 machine de fraisage par rotation et vibration de l'outil, selon l'art antérieur ; - la figure 3 est une vue schématique du fonctionnement d'une machine de fraisage par ultrasons à laquelle est associée une rotation de l'outil, selon un mode de réalisation de l'invention ; 25 - les figures 3, 4 et 5 sont des vues schématiques successives de l'avancement d'une opération d'usinage à l'aide d'une machine selon l'invention ; - la figure 7 est une vue de détail de l'usinage d'une pièce par l'outil d'une machine selon l'invention. 30 En se référant à la figure 1, on voit une machine d'usinage par ultrasons, semblable à celle décrite dans la demande de brevet EP 0362449, pour l'usinage d'une pièce 1 positionnée en face d'une sonotrode 2. La machine transforme un courant électrique alternatif à une fréquence d'environ 20 KHz, ce qui correspond dans l'air au domaine 35 des ultrasons, en des vibrations mécaniques de même fréquence qui sont appliquées à la sonotrode 2. La sonotrode 2 est animée d'un mouvement 4 vibratoire de va-et-vient selon une direction A parallèle à son axe de symétrie. La sonotrode 2 fait office d'outil d'usinage par l'intermédiaire de particules abrasives très dures, comme du carbure de bore, qui sont projetées contre le matériau à usiner. Des buses 3 sont positionnées à cet effet, à côté de la sonotrode 2, et envoient sur la surface à usiner, au niveau de l'extrémité terminale 4 de la sonotrode, un jet d'eau dans lequel les particules abrasives sont en suspension. Du fait que l'eau transmet bien les fréquences ultrasonores, ces particules sont excitées par les vibrations de la sonotrode 2 et animées d'un mouvement vibratoire sur la même fréquence de 20 KHz. Elles pénètrent alors dans la surface à usiner, en provoquant une déformation qui est suivie d'un enlèvement de matière sous la forme de micro-copeaux. En se référant maintenant à la figure 2, on voit une machine, du type fraise ou fraise-lime, d'usinage par rotation d'un outil 12, à laquelle est également associée une vibration de l'outil. La fraise 12 est recouverte, à son extrémité terminale formant foret 14 et sur sa circonférence formant tête de fraisage 13, d'un matériau abrasif, comme par exemple du diamant polycristallin. L'outil est classiquement entraîné en rotation par la machine et amené en contact avec le matériau 1 à usiner. En plus de son mouvement de rotation l'outil 12 est animé d'un mouvement vibratoire selon la direction A parallèle à son axe de symétrie qui provoque une attaque périodique du matériau, à la façon d'une perceuse à percussion. Sur la figure 3 on voit une machine d'usinage selon l'invention, adaptée pour l'usinage des matériaux très durs comme les matériaux composites CMC ou CMO. Elle comporte, comme précédemment, un outil 22, qui fait ici à la fois office de tête de fraisage et de sonotrode. Il est pour cela, d'une part animé d'un mouvement vibratoire le long de son axe longitudinal à une fréquence voisine de 20 KHz pour faire office de sonotrode par l'intermédiaire de son extrémité terminale 24 et, d'autre part, entraîné en rotation pour faire office de tête de fraisage par l'intermédiaire de son pourtour cylindrique 23. Ce pourtour 23 est recouvert sur une certaine hauteur de matériaux dits super durs, comme du diamant polycristallin ou du nitrure de bore cubique, qui ont une dureté sensiblement égale à celle du diamant. Son extrémité terminale 24 peut soit être lisse, à la différence de l'outil de la figure 2, soit être recouverte de diamant pour améliorer sa résistance à l'abrasion. De part et d'autres de la sonotrode tournante 22 sont, comme dans le cas de la figure 1, placées des buses 3 qui projettent des particules abrasives en suspension dans un flux d'eau orienté vers le matériau composite 1. Ces 5 particules, d'un diamètre de quelques dizaines de microns, peuvent être en carbure de bore, carbure de silicium ou en diamant polycristallin. En référence aux figures 4 à 6, le procédé utilisé pour l'usinage des CMC ou CMO à l'aide d'une machine comme décrit ci-dessus, se déroule de la façon suivante : L'outil 22, recouvert de diamant polycristallin, a typiquement un diamètre compris entre 5 et 15 mm et est entraîné en rotation à une vitesse comprise entre 10 000 et 40 000 tr/min. Il est par ailleurs mis en vibration, selon l'axe A, à une fréquence de 20kHz par un bloc acoustique constitué de céramiques piézoélectriques, dont l'amplitude mécanique peut être ajustée et varier entre 5 et 100 microns. Cette amplitude des vibrations reste compatible de l'impératif consistant à maîtriser l'écart entre la sonotrode et le matériau à usiner. Un jet d'eau contenant des particules en carbure de bore ou en diamant est injecté devant la sonotrode tournante 22 au moyen des buses 3. L'outil 22 est tout d'abord positionné face à la surface à usiner qu'il attaque (figure 4) de la même façon que le ferait une sonotrode de l'art antérieur, avec une progression axiale. Une fois qu'une profondeur prédéterminée, dite profondeur de passe, est atteinte, la sonde continue à vibrer et à être alimentée par les buses, mais commence à se déplacer latéralement (figure 5) pour venir attaquer le matériau par son pourtour 23 recouvert de diamant polycristallin. A partir de cet instant la progression de l'usinage (figure 6) s'effectue simultanément par une abrasion du matériau situé en face de l'extrémité terminale 24 de la sonotrode tournante 22 du fait des particules abrasives mues par les ultrasons, et par une attaque mécanique par la surface latérale 23 de la sonotrode. Lorsque le matériau 1 a été usiné sur toute sa longueur, l'opérateur débute une nouvelle passe en revenant au point de départ et en recommençant les opérations au niveau de la figure 4. En référence à la figure 7 on voit la façon dont la sonotrode tournante 22 pénètre dans le matériau à usiner 1. Son pourtour 23 attaque le matériau sur une hauteur hl, tandis que l'extrémité terminale 24 creuse la surface du matériau sur une seconde hauteur h2. Au final la hauteur de la passe obtenue est égale à la somme des deux hauteurs hl+h2. On génère ainsi une progression latérale dans le matériau, à la façon d'une fraise-lime et en pratique on obtient un fraisage d'une profondeur allant jusqu'à 0,5 mm par passe, qui peut être soutenu avec des vitesses d'avancement comprises entre 500 et 1000 mm/min, c'est-à-dire des vitesses que l'on peut considérer comme élevées pour l'usinage d'un matériau composite CMC ou CMO. L'association d'une machine à ultrasons, avec un jet d'eau mêlé à des particules abrasives, avec une broche rotative entrainant un outil de type diamant permet ainsi d'obtenir un usinage précis et de réaliser des formes complexes avec des vitesses d'avancement élevées, ce que ne permettaient pas les techniques des machines antérieures utilisées séparément. Bien que l'invention ait été décrite en relation avec un mode de réalisation particulier, 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. Machine pour l'usinage de matériaux durs tels que les matériaux composites à matrice métallique ou à matrice organique, comportant une sonotrode (22) reliée à un ensemble vibrant à une fréquence ultrasonore déterminée et au moins une buse (3) d'envoi sur la surface à usiner d'un liquide dans lequel des particules abrasives sont en suspension, lesdites particules étant mises en vibrations à ladite fréquence ultrasonore par la sonotrode, caractérisé en ce que la sonotrode est entraînée en rotation autour d'un axe parallèle à la direction des vibrations pour former une tête de fraisage (23) apte à se déplacer dans un plan sensiblement perpendiculaire audit axe vibratoire (A). 2. Machine selon la revendication 1 dans laquelle la tête de 15 fraisage a la forme d'un cylindre dont le pourtour (23) est recouvert de particules en matériau dit super dur. 3. Machine selon la revendication 2 dans laquelle le matériau dit super dur est du diamant polycristallin. 4. Machine selon la revendication 2 dans laquelle le matériau 20 dit super dur est du nitrure de bore cubique. 5. Machine selon la revendication 1 dans laquelle lesdites particules abrasives sont réalisées en carbure de bore. 6. Machine selon la revendication 1 dans laquelle lesdites particules abrasives sont réalisées en diamant polycristallin. 25 7. Procédé d'usinage de matériaux durs tels que les matériaux composites à matrice métallique ou à matrice organique, à l'aide d'une machine selon l'une des revendications 1 à 6, la sonotrode (22) vibrant dans une direction (A) sensiblement perpendiculaire à la surface à usiner et se déplaçant dans un plan sensiblement perpendiculaire à sa direction 30 de vibration. 8. Procédé selon la revendication 7 dans lequel la sonotrode (22) est entraînée en vibrations à une fréquence sensiblement égale à 20 KHz. 9. Procédé selon l'une des revendications 7 ou 8 dans lequel la 35 vitesse de rotation de ladite sonotrode est comprise entre 10 000 et 40 000 tr/min. 10. Procédé selon l'une des revendications 7 à 9 dans lequel la machine opère par passes successives, la profondeur de chaque passe étant inférieure ou égale à 0,5 mm. 11. Procédé selon l'une des revendications 7 à 10 dans lequel 5 la vitesse d'avancement axial est supérieure à 500 mm/min. 12. Procédé selon la revendication 11 dans lequel la vitesse d'avancement axial est comprise entre 500 et 1000 mm/min.