Brevet FR2955510A1 — publié le 20110729

Le domaine de la présente invention est celui de l'usinage des matériaux durs et, en particulier, celui des composites à matrice céramique (CMC), organique (CMO) ou métallique (CMM). L'usinage des composites, tels que les CMC, est particulièrement difficile en raison de la grande dureté de ces matériaux. Les techniques les plus couramment employées portent sur l'utilisation d'outils recouverts de grains de diamant ou de carbure de bore, qui agissent par abrasion et arrachement de micro-copeaux. Ces techniques sont longues car l'avance de l'outil ne peut se faire que lentement et coûteuses car les outils utilisés s'usent assez rapidement. En particulier quand on cherche à effectuer le perçage d'un matériau en CMC, à l'aide d'une fraise recouverte de grains de diamant, on ne peut réaliser que des perçages de relativement gros diamètres, faute de quoi on s'expose à une rupture de l'outil. Une autre technique pourrait être envisagée pour assurer le perçage de trous très fins, à savoir le perçage par rayon laser. Mais cette technique produit des brûlures du matériau, soit principalement au niveau des fibres, mais aussi potentiellement au niveau de la matrice. Un tel dommage se traduit par des pertes dans les caractéristiques de tenue mécanique ou de durée de vie, qui ne sont pas toujours admissibles. Or dans le domaine des turbomachines il y a un besoin de percer de tels matériaux dont l'utilisation commence à se généraliser, notamment au niveau des trous de refroidissement des parois de leur chambre de combustion. Il est donc nécessaire de trouver une méthode de perçage des trous très fins dans un matériau en composite, qui ne produise pas ce type de dommage au matériau. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients en proposant une méthode de perçage et un outil adapté, qui ne présentent pas les inconvénients des méthodes et outils de l'art antérieur et qui permettant le perçage rapide de trous très fins dans un matériau composite, sans entraîner de dommage au matériau. A cet effet, l'invention a pour objet un outil pour le perçage de matériaux durs comprenant un corps d'outil apte à être entraîné par une machine-outil simultanément en rotation autour de son axe et en vibrations axiales à une fréquence ultrasonore, ledit corps portant une fraise cylindrique terminale recouverte de grains abrasifs sur sa 2 circonférence et sur son extrémité libre, dont l'axe est confondu avec l'axe de rotation dudit corps, caractérisé en ce que ladite fraise comporte un canal central s'étendant le long de son axe et s'ouvrant sur son extrémité libre, ledit canal étant destiné à conduire un liquide de lubrification sous pression fourni par ladite machine-outil. La présence de ce liquide de lubrification sous pression permet d'améliorer très sensiblement la durée de vie de la fraise et de l'utiliser sans l'endommager pour le perçage de trous très fins, pouvant aller jusqu'à un diamètre de 0,4 mm dans un matériau composite du type CMC, CMO ou CMM. Préférentiellement la fraise a la forme d'une aiguille dont le rapport entre la longueur et le diamètre est au moins égal à 10. Il est en effet possible de percer des matériaux relativement épais sans rupture de la fraise, même si celle-ci est d'un diamètre très fin. Dans un mode particulier de réalisation la face intérieure du canal central est une face lisse. Dans un second mode de réalisation la face intérieure du canal central est rayée par des rayures hélicoïdales. Dans un troisième mode de réalisation le canal central est perforé d'au moins un perçage latéral positionné près de l'extrémité libre de ladite fraise et orienté radialement par rapport à l'axe de rotation de ladite fraise. Ces modes alternatifs de réalisation permettent une meilleure lubrification et donnent ainsi une durée de vie plus longue à l'outil. De façon préférentielle le diamètre de la fraise est inférieur à 10 mm. De façon encore plus préférentielle le diamètre de la fraise est inférieur à 1 mm. L'invention porte également sur un procédé de perçage d'un matériau dur à l'aide d'un outil tel que décrit ci-dessus, qui est animé d'un mouvement de rotation autour de son axe et d'un mouvement vibratoire axial à une fréquence ultrasonore et qui est caractérisé en ce qu'il comporte l'injection d'un fluide de lubrification dans le canal central sous une pression au moins égale à 10 bars. De façon préférentielle la vitesse de rotation de la broche d'entraînement dudit outil est au plus égale à 10 000 t/min. 3 De façon encore plus préférentielle la vitesse de rotation est au moins égale à 4 000 tr/min. Dans un mode particulier de réalisation la vitesse d'avancement axial est au moins égale à 20 mm/min. De façon préférentielle la vitesse d'avancement est au moins égale à 40 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 ou plusieurs modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples purement illustratifs et non limitatifs, en référence aux dessins schématiques annexés. Sur ces dessins : - la figure 1 est une vue en perspective d'un outil de perçage 15 selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 est une vue de face d'un outil de perçage selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 3 est une vue en coupe d'un outil de perçage selon un mode de réalisation de l'invention ; 20 - la figure 4 est une vue de côté de l'embout d'un outil de perçage selon un mode de réalisation de l'invention ; - les figures 5 à 7 sont des représentations en coupe d'une extrémité de l'embout d'un outil de perçage selon trois variantes de réalisation de l'invention ; 25 - la figure 8 est une vue en perspective d'un matériau CMC percé à l'aide d'un outil et en appliquant une méthode selon l'invention. En se référant à la figure 1, on voit un outil de perçage 1 destiné à être monté sur une machine-outil, du type machine 5 axes à commande numérique, pour le perçage de trous très fins dans un 30 matériau composite à matrice céramique. Il comporte un corps d'outil 2, en forme de colonne, dont une extrémité présente une forme adaptée à son insertion dans la broche d'une machine-outil par l'intermédiaire d'une gorge, et dont l'autre extrémité présente une forme cylindrique à section décroissante. Au bout de cette extrémité est fixée une fraise 3 en forme 35 d'aiguille, dont la section correspond au diamètre de l'alésage à réaliser. La fraise a une forme d'aiguille très fine et très allongée pour pouvoir 4 effectuer des perçages de faibles diamètres sur des épaisseurs relativement importantes. En se référant aux figures 2 et 3 on voit le même outil 1, de face et en coupe. Sur sa face externe la fraise 3 est recouverte de grains de diamant dont la granulométrie varie entre 10 et 100 microns. Par ailleurs, comme on le voit sur la figure 3, la fraise est traversée par un canal creux 4 qui se prolonge à travers tout le corps d'outil 2 pour servir de canal d'amenée 5 à un liquide de lubrification. La figure 4 montre l'extrémité de la fraise 3 et son canal creux 4. La face terminale de la fraise est elle aussi recouverte de grains d'abrasif, comme sur la face externe, pour servir d'outil de perçage. Les figures 5 à 7 montrent différentes versions de l'outil dans lesquelles la face interne du canal creux 4 est soit lisse (figure 5), soit rayée hélicoïdalement de rainures 6 (figure 6) soit enfin lisse avec quatre perçages latéraux 7 qui sont positionnés près de l'extrémité débouchante et décalés de 90° les uns par rapport aux autres sur la circonférence de la fraise (figure 7). Enfin la figure 8 montre une pièce en matériau composite CMC constitué par des fibres de carbure de silicium noyées dans une matrice en carbure de silicium, après un perçage par un outil du type décrit ci-dessus. On va maintenant décrire le perçage d'une pièce en CMC à l'aide de l'outil ci-dessus. L'outil 1 est monté sur une machine-outil, de préférence à commande numérique, équipée d'une tête ultrasonore. Le principe, connu, de l'usinage par ultrasons repose sur la transformation d'un courant électrique, à une fréquence particulière dans le domaine des ultrasons, en une vibration mécanique transmise à l'outil d'usinage. La fréquence de vibration de l'outil correspond à la fréquence du signal électrique, en l'occurrence 17 kHz. Une fraise, généralement positionnée suivant un axe vertical, est entraînée par la broche de la machine à commande numérique à la fois en rotation autour de son axe et en déplacement alternatif le long de son axe à la fréquence des ultrasons, ce qui provoque un enlèvement de matière sous forme de micro-copeaux. Pour supporter les sollicitations imposées à l'outil par la dureté du matériau à percer, une lubrification est assurée au travers du canal d'amenée 5 et du canal creux 4. L'huile de coupe est envoyée sous pression afin d'assurer le refroidissement de la fraise et l'évacuation des copeaux arrachés au matériau lors de l'avancement de la fraise 3. Si le fait de lubrifier une fraise au carbure à l'aide d'un canal central est connu, cette technique n'est actuellement appliquée que dans le cas d'outil de grande taille. Il est généralement admis que le perçage d'un matériau très dur à l'aide d'une fraise de petite taille n'est pas possible car l'outil se brise rapidement, sauf à effectuer une avance extrêmement lente. En particulier il n'était pas considéré comme envisageable d'utiliser des fraises en forme d'aiguilles, dont le rapport entre le diamètre et la longueur de la fraise soit supérieur à 10. L'inventeur est, ici, allé à l'encontre de ce préjugé et a cherché à mettre au point une gamme de perçage pour des trous de très petite taille dans un matériau en CMC. Les essais qu'il a réalisés ont conduit à constater la possibilité d'un tel perçage, moyennant la combinaison de l'usinage par ultrasons, à une fréquence voisine de 17 kHz, la mise en rotation d'une fraise recouverte de grains abrasifs durs et d'une lubrification par un canal interne à la fraise. Avec ces conditions il est possible d'effectuer des perçages dont le diamètre est compris entre seulement 0.4 et 10 mm, avec une avance de l'outil pouvant aller, en fonction de la taille de l'outil, de 5 jusqu'à 150 mm/min. Le perçage a même pu être effectué en utilisant une fraise dont le rapport entre le diamètre et la longueur est proche de 15. Les paramètres préférentiels pour effectuer cette opération sont résumés ci-dessous : - rotation de la broche comprise entre 1000 et 50 000 t/min ; - fréquence ultrasonore d'environ 17 kHz ; - injection du fluide de lubrification dans le canal creux 4 sous une 30 pression comprise entre 10 et 50 bars. En appliquant une pression de 20 bars on arrive à percer, à une vitesse d'avancement de 40 mm/min, des trous d'un diamètre compris entre 1,2 et 2 mm, avec une vitesse de rotation de 6000 tr/min, de 4 mm avec une vitesse de rotation de 5000 tr/min ou encore de 6 mm avec une 35 vitesse de rotation de 4000 tr/min. Les résultats obtenus sont visibles sur la figure 8 où l'on constate une absence totale de défaut métallurgique ou de délaminage, aux alentours du perçage effectué. De plus l'outil présente une excellente résistance qui lui confère une durée de vie qui est sans commune mesure avec les outils traditionnels pour l'usinage des CMC. Enfin on constate qu'avec cette gamme d'usinage la vitesse d'avancement obtenue est très élevée, ce qui entraîne une baisse significative du coût du perçage des matériaux en CMC. 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. Outil pour le perçage de matériaux durs comprenant un corps d'outil (2) apte à être entraîné par une machine-outil simultanément en rotation autour de son axe et en vibrations axiales à une fréquence ultrasonore, ledit corps portant une fraise cylindrique terminale (3) recouverte de grains abrasifs sur sa circonférence et sur son extrémité libre, dont l'axe est confondu avec l'axe de rotation dudit corps, caractérisé en ce que ladite fraise comporte un canal central (4) s'étendant le long de son axe et s'ouvrant sur son extrémité libre, ledit canal étant destiné à conduire un liquide de lubrification sous pression fourni par ladite machine-outil. 2. Outil selon la revendication 1 dans lequel la fraise (3) a la forme d'une aiguille dont le rapport entre la longueur et le diamètre est 15 au moins égal à 10. 3. Outil selon l'une des revendications 1 ou 2 dans lequel la face intérieur du canal central (4) est une face lisse. 4. Outil selon l'une des revendications 1 ou 2 dans lequel la face intérieur du canal central (4) est rayée par des rayures hélicoïdales 20 (6). 5. Outil selon l'une des revendications 1 à 4 dans lequel le canal central (4) est perforé d'au moins un perçage latéral (7) positionné près de l'extrémité libre de ladite fraise (3) et orienté radialement par rapport à l'axe de rotation de ladite fraise. 25 6. Outil selon l'une des revendications 1 à 5 dans lequel le diamètre de la fraise (3) est inférieur à 10 mm. 7. Outil selon la revendication 6 dans lequel le diamètre de la fraise (3) est inférieur à 1 mm. 8. Procédé de perçage d'un matériau dur à l'aide d'un outil 30 selon l'une des revendications 1 à 7 animé d'un mouvement de rotation autour de son axe et d'un mouvement vibratoire axial à une fréquence ultrasonore caractérisé en ce qu'il comporte l'injection d'un fluide de lubrification dans le canal central (4) sous une pression au moins égale à 10 bars. 9. Procédé selon la revendication 8 dans lequel la vitesse de rotation de la broche d'entraînement dudit outil est au plus égale à 10 000 t/min. 10. Procédé la revendication 9 dans lequel la vitesse de 5 rotation est au moins égale à 4 000 tr/min. 11. Procédé selon l'une des revendications 8 à 10 dans lequel la vitesse d'avancement axial est au moins égale à 20 mm/min. 12. Procédé selon la revendication 11 dans lequel la vitesse d'avancement est au moins égale à 40 mm/min.