Brevet FR2969017A1 — publié le 20120622

OUTIL DE COUPE ROTATIF ET PROCEDE DE PERÇAGE ORBITAL METTANT EN OEUVRE UN TEL OUTIL DOMAINE TECHNIQUE [0001]L'invention se rapporte à un outil de coupe rotatif et un procédé de perçage orbital qui met en oeuvre un tel outil. [0002] Le domaine de l'invention est celui du perçage de matériaux durs, tels que des métaux durs, utilisant des outils de coupe nécessitant une lubrification pour réaliser des perçages dans ces matériaux qui sont en général assemblés en empilage. De tels empilages de métaux durs se trouvent par exemple dans les structures d'aéronefs du secteur aéronautique ou de véhicules du secteur automobile. [0003] L'invention s'applique donc au perçage de matériaux durs, en particulier, mais non exclusivement, au perçage de métaux, notamment d'empilage de couches épaisses de ces matériaux, plus spécialement de métaux durs tels que le titane ou des alliages de titane. La gamme de dureté visée, mesurée en nombre de Brinell (unité HB), se situe entre environ 120 HB pour l'acier doux et 550 HB pour le verre, en passant pas 250 HB pour l'acier inoxydable et 500 HB pour le titane. ETAT DE LA TECHNIQUE [0004]Jusqu'à présent, le perçage en pleine matière ou en finition d'un alésage lorsque le perçage nécessite des reprises à réaliser dans des matières - ou dans un empilage de matières - de fortes épaisseurs, est généralement mis en oeuvre par des opérations axiales de perçage à l'aide de fraiseuses équipées de forets. Ces perçages sont assistés, dans la plupart des cas, d'un arrosage important d'huile de lubrification par l'extérieur pour permettre la poursuite de la coupe en préservant les éléments coupants. [0005] Le perçage en pleine matière ou en finition d'alésage dans des matières dures de fortes épaisseurs, en particulier de métaux, génèrent classiquement des coupelles et des bavures importantes en sortie des matières. En particulier dans le cas d'empilage où les matières sont séparées par des jeux inhérents à l'assemblage, ces bavures et ces coupelles - ainsi que les huiles de coupe - polluent les pièces percées par les copeaux et les aspersions de lubrifiant. [0006] Dans certains secteurs d'activité - en particulier dans le domaine de l'automobile ou de l'aéronautique - il est recommandé de ne pas laisser ces empilages de matières avec des bavures, des copeaux de coupelles et des résidus d'huile de coupe. Pour cela, les pièces assemblées sont dégroupées pour ébavurage et nettoyage, puis remontage suivi éventuellement d'un alésage manuel de réalignement des pièces assemblées. Un tel dégroupage-regroupage est pénalisant en temps, en cycle et en coût. [0007] De plus, les efforts de poussée du perçage axial nécessitent d'être équilibrés en contre-pression par un outillage approprié. EXPOSE DE L'INVENTION [0008] L'invention vise à s'affranchir de ces complications qui sont pénalisantes en temps et en coût, en prévoyant de réaliser le perçage en une seule passe par un usinage en plongée orbitale à l'aide de dents de forme particulière en liaison avec une lubrification particulière. [0009] Plus précisément, la présente invention se rapporte à un outil de coupe rotatif autour d'un axe de rotation et équipé d'un module actif muni de dents de coupe, lequel module actif présente une extrémité étagée sur au moins un étage pour éliminer une coupelle de sortie de matière et au moins deux dents de coupe formées d'une extrémité coupante radiale et de bords axiaux délimités par des goujures de remontée de copeaux de matière. Au moins deux canaux, formés dans l'outil par enroulement hélicoïdal autour d'un axe central, sont aptes à transmettre jusqu'au module actif un fluide de lubrification à base d'une huile de dispersion de nanoparticules. [0010] De manière préférée, chaque canal débouche sur une dent de coupe. [0011]Avantageusement, le fluide de lubrification est un mélange d'air et d'huile de dispersion de nanoparticules. [0012] L'invention a également pour objet un procédé de perçage orbital de matériaux durs mettant en oeuvre l'outil ci-dessus. Dans le procédé, cet outil de coupe est entraîné en rotation propre autour de son axe central qui reste parallèle à l'axe central d'un perçage à réaliser dans les matériaux et qui se déplace en rotation orbitale autour d'un axe de perçage. La coupe des matériaux est effectuée dans un rapport de diamètres entre le diamètre de coupe et le diamètre du perçage à réaliser supérieur à 50%. Une force d'entraînement est exercée sur l'outil pour réaliser la coupe selon une avancée hélicoïdale de l'outil dans les matériaux. De plus, une nano-lubrification au niveau de la coupe est fournie par transmission centrale d'un fluide à travers l'outil et une remontée de copeaux découpés est réalisée par aspiration le long de goujures formées sur l'outil. [0013] L'opération de perçage peut alors être effectuée sans coupelle de sortie de matières, en générant des bavures trop faibles pour nécessiter l'ébavurage et des copeaux de petites dimensions et légers, pouvant être aspirés en continu. [0014] Le perçage peut être réalisé dans des matières ou des empilages de matières de fortes épaisseurs, et le rapport entre les diamètres de coupe et de perçage final résulte d'un compromis entre la conservation de rigidité de l'outil et l'espace de remontée des copeaux, en particulier un rapport de l'ordre de 75% est un bon compromis. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES [0015] D'autres données, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description non limitée qui suit, en référence aux figures annexées qui représentent, respectivement : - les figures la à 1c, des vues longitudinale et aux extrémités d'un exemple d'outil de coupe selon l'invention ; - la figure 2, une vue perspective de cet outil de coupe ; - la figure 3, une vue détaillée du module de coupe de l'outil de la figure 1 selon un autre angle de vue, et - la figure 4, une vue de cet outil pendant son travail de coupe. 30 DESCRIPTION DETAILLEE [0016] En référence aux vues longitudinale et en extrémités amont et aval des figures la à 1c, ainsi que sur la vue perspective de la figure 2, un outil de coupe 1 selon l'invention se compose successivement, le long d'un axe central de rotation propre X'X, d'une partie aval cylindrique 10 couplée à une portion conique 20, d'angle ici égal à environ 3°, elle-même prolongée par un module actif amont 30. [0017] La partie cylindrique 10 sert de manchon en prise avec un système d'entraînement en rotation 2 selon l'axe X'X et en orbite autour d'un deuxième axe de rotation central et fixe. Le travail de coupe autour du deuxième axe de rotation sera décrit plus loin en référence à la figure 3. Pour une bonne tenue de l'outil dans un porte-outil dudit système, qu'il soit mandrin à pince ou porte-outil fretté, la partie cylindrique 10 a un diamètre de tolérance de niveau h6. De préférence, ce diamètre est égal ou supérieur au diamètre de la partie active 30 de l'outil, de manière à conserver une rigidité optimale. La portion conique 20 présente, dans sa section la plus importante, un diamètre qui reste inférieur à celui de la partie active 30. [0018] La partie cylindrique 10 est terminée en ses extrémités 14 et 15 par des chanfreins 4 et 5, raccordant respectivement à la portion conique 20 et au porte-outil 40 du système de rotation. Un chanfrein 6 raccorde également la portion conique 20 au module actif 30. [0019] Dans le but de refroidir la zone de travail, l'outil 1 est doté de deux canaux hélicoïdaux 3a et 3b permettant d'amener un fluide de lubrification jusqu'au module actif 30 de l'outil. Ces canaux de lubrification sont enroulés hélicoïdalement au tour de l'axe X'X de l'outil. [0020]Chaque canal 3a, 3b, débouche dans le module actif 30 à l'extrémité coupante radiale 31a, 31b d'une dent de découpe 32a, 32b. Le nombre de canaux de lubrification est égal au nombre d'arêtes de coupe de l'outil. L'outil illustré comporte deux dents et deux canaux à titre d'exemple. Dans d'autres variantes, 3 ou 4 dents, voire plus, correspondant à autant de canaux, peuvent être mises en oeuvre. [0021]L'arrivée du lubrifiant dans l'outil 1 est recueillie dans une cuvette d'alimentation 50 avant distribution dans les canaux de lubrification 3a et 3b par une mise en pression par un compresseur d'air approprié (non représentée). Le lubrifiant est constitué d'un mélange d'air et d'huile dans laquelle des nanoparticules ont été préalablement dispersée selon une technologie connue. Les nanoparticules peuvent être par exemple des nanotubes de carbone ou des fullerènes de bisulfures métalliques. [0022] Le module actif 30 de l'outil 1 de coupe rotatif est plus précisément illustré par la figure 3. Le diamètre de ce module a une tolérance de niveau h9 lorsqu'il assure des tolérances d'alésage correspondantes. La longueur « L » de ce module actif 30, mesurée sur l'axe X'X, peut être égale ou proche de son diamètre. [0023] L'extrémité de ce module actif est étagée pour éliminer, pendant la phase de perçage, la coupelle de sortie de matière. Pour ce faire, une dent 32a coupe de préférence au centre, sensiblement sur l'axe X'X, et la valeur d'un premier étage 34 est d'environ 0,4mm, soit la largeur de l'extrémité 31a de la dent. [0024]Avantageusement, la largeur de l'étage 34 peut être augmentée en fonction du diamètre du perçage à réaliser et/ou de la matière à usiner. Il est possible de prévoir plus d'un étage et le nombre d'étages peut aussi être fonction de ces mêmes raisons. [0025] Une dépouille radiale primaire 36 forme un angle de 6 à 12° par rapport à un plan orthogonal à l'axe X'X. Une dépouille axiale primaire 38 se situe entre 4 et 10° sur l'axe X'X, suivie d'une dépouille axiale secondaire 39 de 20 à 35° par rapport à ce même axe. [0026]Chaque dent de coupe 32a, 32b présentent des bords axiaux 35, 37 qui délimitent des goujures 33 de remontée de copeaux de matière. Les bords axiaux 35, 37, se situent de 6 à 12° sur l'axe X'X. [0027] En référence à la figure 4, l'outil de coupe 1 est illustré en fonctionnement. Il se déplace en plongée axiale selon la flèche « V », perpendiculairement à la face plane supérieure Fs des matériaux à percer, et en rotation propre selon la flèche courbe « R » autour de son axes X'X. Le déplacement qui en résulte est hélicoïdal, comme représenté par la portion d'hélice « H ». Le système de commande applique une force « F » d'intensité et de direction exercée par le porte-outil 40 sur l'outil 1 pour réaliser la coupe. [0028] L'outil de coupe 1 est également entraîné en rotation par le système de commande et le porte-outil 40 autour de l'axe central A'A du perçage à effectuer dans un empilement 60 de couches de matériaux 61, 62. La coupe de ces matériaux est effectuée dans un diamètre Dl égal au diamètre en extrémité de coupe de l'outil 1 et inférieur au diamètre D2 du perçage final à réaliser. [0029] L'outil suit alors un déplacement orbital autour de l'axe de perçage A'A. De plus, la nano-lubrification au niveau de la coupe est fournie par la transmission centrale par les canaux. Le mélange d'air et d'huile de la nanolubrification brûle sur l'arête de coupe et ne pollue pas l'assemblage. Une remontée de copeaux découpés est réalisée par aspiration le long des goujures de l'outil. [0030] Le rapport D2/D1 entre les deux diamètres de coupe et de perçage est le plus important possible pour ne pas perdre en rigidité d'outil, mais laisse de l'espace à la remontée des copeaux. Ce rapport résulte donc d'un compromis entre la conservation de rigidité de l'outil et l'espace de remontée des copeaux. Un rapport supérieur à 50%, en particulier compris entre 65 et 80% est recherché. Un rapport de l'ordre de 75% représente en général un compromis optimisé. [0031]L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits ou représentés. Il est par exemple possible d'utiliser plusieurs types de lubrifiant pouvant compléter la nano-lubrification : arrosage par émulsion d'huile de coupe ou circulation d'air comprimée ou équivalent. REVENDICATIONS1. Outil de coupe rotatif (1) autour d'un axe central de rotation (X'X) et équipé d'un module actif (30) muni de dents de coupe (32a, 32b), caractérisé en ce que le module actif (30) présente une extrémité étagée (34) apte à éliminer une coupelle de sortie de matière formée lors de la coupe, au moins deux dents de coupe (32a, 32b) formées d'une extrémité coupante radiale (31a, 31b) et de bords axiaux (35, 37) délimités par des goujures (33) de remontée de copeaux de matière, et au moins deux canaux (3a, 3b), formés dans l'outil (1) par enroulement hélicoïdal autour de l'axe central (X'X) et aptes à transmettre jusqu'au module actif (30) un fluide de lubrification à base d'une huile de dispersion de nanoparticules. 2. Outil de coupe rotatif selon la revendication 1, dans lequel chaque canal (3a, 3b) débouche sur l'extrémité coupante (31a, 31b) d'une dent de coupe (32a, 32b). 3. Outil de coupe selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel le fluide de lubrification est un mélange d'air et d'huile de dispersion de nanoparticules. 4. Outil de coupe selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'extrémité du module actif (30) est étagée sur au moins un étage (34), le nombre d'étage étant fonction du diamètre du perçage à réaliser et/ou de la matière à usiner. 5. Outil de coupe selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il se compose successivement, le long de son axe central de rotation propre (X'X), d'une partie aval cylindrique (10) couplée à une portion conique (20) via un chanfrein (5), elle-même prolongée par le module actif amont (30) via un autre chanfrein (6). 6. Outil de coupe selon la revendication précédente, dans lequel la partie cylindrique (10) présente un diamètre égal ou supérieur au diamètre du module actif (30), et la portion conique (20) présente, dans sa section la plus importante, un diamètre inférieur à celui de la partie active (30). 7. Procédé de perçage orbital de matériaux durs, caractérisé en ce qu'un outil de coupe (1) selon l'une quelconque des revendications précédentesest entraîné en rotation propre autour de son axe central (X'X) qui reste parallèle à un axe central (A'A) d'un perçage à réaliser dans les matériaux (61, 62) et qui se déplace en rotation orbitale autour de l'axe de perçage (A'A), la coupe des matériaux étant effectuée dans un rapport de diamètres entre le diamètre de coupe (D2) et le diamètre du perçage à réaliser (Dl) supérieur à 50%, en ce qu'une force d'entraînement (F) est exercée sur l'outil pour réaliser la coupe selon une avancée hélicoïdale (H) de l'outil (1) dans les matériaux (61, 62), et en ce qu'une nano-lubrification au niveau de la coupe est fournie par transmission centrale (3a, 3b) d'un fluide à travers l'outil (1), une remontée de copeaux découpés étant réalisée par aspiration le long de goujures (33) formées sur l'outil (1). 8. Procédé de perçage orbital selon la revendication précédente, dans lequel le rapport des diamètres de coupe (D2) et de perçage (Dl) est compris entre 65 et 80 %, et de préférence de l'ordre de 75%.15