Brevet FR2975027A1 — publié le 20121116

Outil de perçage de trous dans une pièce, notamment en matériau com- posite à matrice organique, procédé de perçage correspondant La présente invention concerne un outil de perçage de trous dans une pièce, notamment en matériau composite à matrice organique, un procédé de perçage mettant en oeuvre un tel outil, ainsi qu'une pièce en matériau composite à matrice organique présentant des trous obtenus par un tel procédé de perçage. Bien qu'elle soit particulièrement adaptée au perçage de trous dans des pièces en matériau composite à matrice organique (désigné par la suite matériau CMO), la présente invention n'en est néanmoins pas limitée à cette application et pourrait tout aussi bien être mise en oeuvre pour le perçage de pièces en matériau métallique, plastique, etc... Pour réaliser des trous dans des pièces en matériau CMO (par exemple une bride de carter pour turbomoteur d'aéronef), on utilise, de façon connue, des forets carbures revêtus (diamant ou autre) et non revêtus ou bien des forets PCD. De tels forets comportent, à leur extrémité longitudinale dédiée au perçage, une pointe présentant une géométrie spécifique qui doit être choisie en fonction des caractéristiques du matériau à percer. Malgré leur courte durée de vie d'utilisation, les forets tels cités ci- dessus se révèlent particulièrement performants pour la réalisation, dans des pièces en CMO, de trous (pour lesquels ordinairement le rapport de Longueur percée sur Diamètre de perçage (également noté L/D) est supérieur à 0,5), du fait qu'ils ne provoquent qu'un faible délaminage du matériau CMO. Pour l'obtention de trous pour lesquels le rapport L/D est inférieur à 0,5, le perçage effectué à l'aide de forets du type précité engendre des efforts de coupe significatifs sur le matériau CMO, qui entraînent notamment : - une déformation de la pièce en CMO ; - un échauffement de la résine du matériau CMO ; - des délaminages du matériau CMO dans un voisinage du trou ; et - des éclatements de fibres du matériau CMO. De tels défauts d'usinage affectent l'intégrité du matériau CMO de la pièce usinée. Il n'est donc pas possible de garantir la santé matière de celle-ci. Autrement dit, le perçage de trous dont le diamètre excède 8 mm dans une pièce en CMO provoque un affaiblissement préjudiciable de sa structure mécanique et donc de sa résistance aux efforts en utilisation, une fois montée. En particulier, dans le cas d'une bride de carter en CMO pour moteur d'aéronef, il devient indispensable de renforcer la bride au voisinage des trous percés en recourant, par exemple, à des coupelles ou des rondelles de fixation, ou bien encore à une augmentation de matière au niveau des zones de perçage, afin de répartir les efforts s'exerçant au niveau des trous et de réduire en conséquence le risque de rupture de la bride. Un tel renforcement, quel qu'il soit, provoque une augmentation de la masse de la bride en tant que telle ou une fois montée. Par ailleurs, les forets de grand diamètre pour le perçage de trous dans une pièce en CMO découpent le matériau de manière grossière, ce qui conduit à l'apparition d'irrégularités non acceptables sur la surface interne des trous. Aussi, pour pallier ces imprécisions d'usinage, il est usuel de parachever le perçage des trous à l'aide d'un outil supplémentaire de finition, de façon à obtenir des trous finaux ayant un diamètre prédéterminé et qui s'étendent de manière uniforme dans l'épaisseur de perçage du matériau CMO. Cependant, le recours à un outil de finition augmente considérablement le temps de préparation de la pièce en CMO et son coût, ce qui s'avère difficilement compatible avec les exigences industrielles actuelles. La présente invention a pour objet de remédier à ces inconvénients et, notamment, de permettre le perçage de trous uniformes dans une pièce en matériau composite à matrice organique sans altération de sa tenue mécanique une fois fixée. A cette fin, selon l'invention, l'outil de perçage d'un trou dans une pièce, notamment en matériau composite à matrice organique, est remarquable en qu'il comporte deux zones abrasives distinctes, de préférence contiguës : - une première zone abrasive d'attaque, de forme circulaire, à gros grains pour former l'ébauche du trou, le diamètre de ladite première zone étant compris entre 1 mm et 25 mm ; et une seconde zone abrasive de polissage et d'alésage à grains fins pour parachever le perçage du trou. Ainsi, grâce à l'invention, le perçage de trous uniformes le long de l'épaisseur d'une pièce en matériau CMO (en particulier pour des trous ayant un rapport L/D inférieur à 0,5, mais également applicable à des trous ayant un rapport L/D supérieur à 0,5) est réalisable sans délaminage, ni dégradation de la résine formant le matériau CMO. La tenue mécanique de la pièce percée soumise à des efforts significatifs est ainsi assurée sans recours à des éléments externes de renforcement (coupelle, rondelle, etc...) ou à une augmentation de matière. La santé matière de la pièce ainsi percée est garantie. En particulier, la seconde zone abrasive permet - lors d'une opération de polissage - l'élimination des irrégularités d'usinage produites lors du perçage de l'ébauche du trou par la première zone abrasive, de sorte que le trou final obtenu présente une surface interne uniforme, régulière et propre sur l'épaisseur de la pièce. Il n'y a pas, ou quasiment pas, d'arrachement de fibres. Cette seconde zone abrasive peut également servir - lors d'une opéra- tion d'alésage - à élargir l'ébauche de trou formée par la première zone abrasive pour obtenir un trou final de diamètre déterminé. Grâce à l'invention, les opérations de perçage de l'ébauche d'un trou et de finition (polissage et/ou alésage) peuvent être effectuées simultanément, ce qui permet de réduire notablement le temps d'usinage de la pièce considé- rée (aucun changement d'outil n'étant requis ou nécessaire) et donc de réduire son coût de fabrication. De plus, l'outil de perçage de l'invention nécessite une force d'application réduite en comparaison de celle requise lors de la mise en ceu- vre des forets connus, de sorte que sa durée de vie d'utilisation est allongée par rapport à celle des forets actuels. De façon avantageuse, les première et seconde zones abrasives sont formées par électrodéposition. Dans une forme de réalisation conforme à l'invention, lorsque l'outil de perçage comprend un corps oblong, de préférence de forme cylindrique: la première zone abrasive s'étend sur la face d'une des extrémités longitudinales dudit corps ; et la seconde zone abrasive s'étend sur au moins une partie de la surface latérale dudit corps depuis ladite extrémité longitudinale de ce dernier. En outre, la face d'extrémité longitudinale formant la première zone abrasive peut : être plane, et en particulier annulaire pour limiter le contact de la première zone abrasive avec la pièce à percer ; ou présenter une forme bombée convexe ; ou présenter une forme creuse concave. De préférence encore : les dimensions des gros grains de la première zone abrasive sont comprises entre 180 pm et 602 pm ; et les dimensions des grains fins de la seconde zone abrasive sont comprises entre 76 pm et 150 pm. En outre, les grains abrasifs des première et seconde zones abrasives peuvent être de nature identique ou bien différente. Ils sont, de préférence, en diamant ou en nitrure de bore cubique. Par ailleurs, les première et seconde zones abrasives sont constituées de grains, respectivement gros et fins, liés les uns aux autres et audit corps par un liant d'enrobage. A titre d'exemple, le liant d'enrobage peut être métallique, ou en résine, ou bien encore en nickel électrodéposé. Dans une forme de réalisation conforme à l'invention, le liant d'enrobage associé à la première zone abrasive peut être différent de celui 5 associé à la seconde zone abrasive. Selon une autre forme de réalisation de l'invention, l'outil de perçage peut comprendre des rainures d'alimentation en fluide de coupe, de préférence hélicoïdales ou axiales, ménagées dans l'épaisseur de la seconde zone abrasive et s'étendant sur au moins une partie de cette dernière. En variante, 10 l'outil de perçage pourrait comprendre des canaux de lubrification internes ménagés dans le corps et débouchant en surface de la première zone abrasive et/ou de la seconde zone abrasive. Selon encore une forme de réalisation de l'invention, l'outil de perçage peut comprendre des moyens pour chanfreiner un des bords du trou final qui 15 sont agencés sur au moins une des deux zones abrasives. Ainsi, on peut tailler un chanfrein sur le ou les bords du trou au moyen du seul et unique outil de perçage de l'invention, ce qui réduit les opérations d'usinage et le temps de fabrication de la pièce. De préférence, les moyens de chanfreinage se présentent sous la 20 forme d'un chanfrein pratiqué dans l'épaisseur de la seconde zone abrasive, à une de ses extrémités longitudinales : soit à l'extrémité contigüe à la première zone abrasive, soit à l'extrémité opposée à celle-ci. Lorsqu'il est pratiqué dans la seconde zone à son extrémité contigüe, le chanfrein permet de chanfreiner le bord du trou appartenant à la face de la 25 pièce orientée en regard de l'outil avant perçage (désignée face d'entrée par la suite). En revanche, lorsqu'il est pratiqué dans la seconde zone à son extrémité opposée, le chanfrein permet de chanfreiner le bord du trou appartenant à la face opposée (ou face de sortie) à la face d'attaque et par laquelle le trou 30 débouche. Bien entendu, en variante, des moyens de chanfreinage peuvent être disposées aux deux extrémités de la seconde zone abrasive, de manière à permettre la réalisation d'un chanfrein sur les bords d'entrée et de sortie du trou. Dans une variante encore, le chanfrein réalisé à l'extrémité contigüe de la première zone abrasive peut se prolonger sur le bord de cette dernière, de manière à augmenter la longueur de la ligne de chanfrein. En outre, la présente invention concerne également un procédé de perçage de trous dans une pièce, notamment en matériau composite à matrice organique, au moyen d'un outil de perçage tel que spécifié ci-dessus. Selon l'invention, le procédé de perçage est remarquable en ce que l'on perce un trou initial, ayant un diamètre initial et un axe de trou, grâce à un mouvement d'interpolation hélicoïdale de l'outil mû en rotation autour de son axe longitudinal, défini par un déplacement en hélice dudit axe longitudinal décalé 15 par rapport à l'axe de trou. De préférence, on alèse ensuite le trou initial par un mouvement circulaire de l'outil de perçage en rotation dans un plan orthogonal à son axe longitudinal, de manière à obtenir un trou final, coaxial au trou initial, de diamètre prédéfini supérieur au diamètre initial. 20 Il est à noter que, selon l'invention, l'axe de trou peut être incliné, par rapport à la surface de ladite pièce, ou orthogonal à cette dernière. Selon un mode de réalisation conforme à l'invention, lorsque l'outil de perçage est équipé de moyens pour chanfreiner, on chanfreine au moins un des bords du trou final. 25 En particulier, lors de l'opération de chanfreinage, on effectue un dé-placement circulaire plan de l'outil de perçage en rotation autour de l'axe de trou à une distance déterminée de celui-ci. De préférence, la vitesse du déplacement en translation longitudinale lors du mouvement d'interpolation hélicoïdale de l'outil de perçage en rotation est comprise entre 0,05 mm et 0,3 mm par tour d'outil de perçage autour de son axe longitudinal. Par ailleurs, la présente invention concerne également une pièce en matériau composite à matrice organique, notamment une bride de carter de turboréacteur d'aéronef, comportant au moins un trou obtenu par le procédé de perçage tel que décrit ci-dessus. Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur ces figures, des références identiques désignent des éléments semblables. La figure 1 est une vue schématique en perspective d'un exemple de réalisation d'un outil de perçage conforme à la présente invention. Les figures 2A, 2B, 2C et 2D sont des vues schématiques partielles en coupe longitudinale de quatre autres exemples de réalisation de l'outil de perçage selon l'invention. La figure 3 représente, dans une coupe schématique, un trou chanfreiné percé avec l'outil de perçage de la figure 2C ou bien encore de celui de la figure 2D. La figure 4 montre, dans une vue schématique en perspective, une opération de perçage d'un trou initial dans une pièce en CMO au moyen de 20 l'outil de la figure 1. Les figures 5A et 5B illustrent, de manière schématique et décomposée, les différentes étapes du procédé de perçage d'un trou selon l'invention, mises en oeuvre par l'outil de perçage de la figure 1. Sur les figures 1, 2A à 2D, on a représenté plusieurs exemples de ré-25 alisation d'un outil de perçage 1, conforme à la présente invention, pour percer des pièces en matériau CMO. Il convient de nouveau de remarquer qu'un tel outil de perçage con-forme à l'invention n'est nullement limité au perçage de pièces en CMO, mais peut également être mis en oeuvre pour le perçage de pièces formées de tout 30 autre matériau (métal, plastique, etc...). Comme le montrent ces figures, l'outil de perçage 1 comporte : un corps cylindrique oblong 2, d'axe longitudinal L-L, formant une tige destinée, à être fixée à une de ses extrémités 2A, à une machine outil ; une première zone abrasive d'attaque 3 à gros grains (de dimensions com- prises entre 180 pm et 602 pm) qui permet de former une ébauche Oi du trou final Of et qui recouvre la face de l'extrémité longitudinale d'attaque 2B du corps oblong 2 destinée à venir au contact de la pièce à percer ; et une seconde zone abrasive de polissage et d'alésage 4 à grains fins (de dimensions comprises entre 76 pm et 150 pm) pour parachever le perçage du trou final Of. La seconde zone 4 s'étend longitudinalement sur une partie de la surface latérale dudit corps 2 depuis l'extrémité d'attaque 2B. Les première et seconde zones abrasives peuvent être contiguës De façon connue, les première et seconde zones abrasives 3 et 4 peu-vent être formées par électrodéposition pour obtenir, respectivement, un ag- glomérat de grains abrasifs liés les uns aux autres et au corps 2 par un liant d'enrobage. Le liant d'enrobage qui agglomère ces grains peut être métallique, en résine, ou en nickel électrodéposé. En outre, bien qu'ils puissent être de nature différente, les grains abra- sifs des première et seconde zones abrasives 3 et 4 des figues 1 et 2A à 2D sont de même nature et avantageusement choisis soit en diamant, soit en nitrure de bore cubique. Dans les exemples des figures 1 et 2A à 2D, la face de l'extrémité longitudinale 2B du corps 2, recouverte par la première zone abrasive 3, est sen- siblement plane. Autrement dit, dans ces exemples, la première zone abrasive 3 se pré-sente sous la forme d'un disque de grains abrasifs d'épaisseur prédéfinie el et la seconde zone abrasive 4 revêt la forme d'une couronne annulaire de grains abrasifs d'épaisseur prédéfinie e2 (les épaisseurs el et e2 pouvant être égales). Le diamètre extérieur de l'outil de perçage 1 au niveau de la seconde zone abrasive 4 est par exemple de l'ordre de 10 mm. Comme le montre la figure 1, l'outil de perçage 1 peut comprendre des rainures hélicoïdales 5 destinées à être alimentées en fluide de coupe, de manière à faciliter l'évacuation de la matière usinée tout en limitant l'échauffement de l'outil de perçage 1. Les rainures 5 sont creusées dans l'épaisseur e2 de la seconde zone abrasive 4. Elles s'étendent sur toute la longueur de la seconde zone 4 et dé-bouchent aux deux extrémités longitudinales 4A et 4B de celle-ci. En variante, des canaux de lubrification ménagés dans le centre du corps cylindrique 2 peuvent déboucher en surface des zones 3 et 4, par exemple sous la forme de trous cylindriques ou elliptiques et suivant des di-rections droites inclinées ou curvilignes. Par ailleurs, comme le montrent les figures 2A à 2D, l'outil de perçage 1 peut comprendre un ou plusieurs chanfreins 6A, 6B, 6C utilisés pour chan-freiner, par rotation de l'outil 1 autour de son axe longitudinal L-L (une telle rotation étant symbolisée par la flèche F2 sur la figure 4), au moins un des bords du trou final Of. Dans l'exemple de la figure 2A, un seul chanfrein 6A est pratiqué dans l'épaisseur e2 de la seconde zone abrasive 4 à son extrémité longitudinale 4B jouxtant la première zone abrasive 3. Ce chanfrein 6A permet le façonnage d'un chanfrein correspondant 7 sur le bord d'entrée 8 du trou final Of percé par l'outil 1, comme l'illustre la figure 3. Dans cet exemple, aucun chanfrein n'est ménagé dans l'épaisseur el de la première zone abrasive 3. En revanche, comme le montre l'exemple de la figure 2B, le chanfrein 6B pratiqué dans l'épaisseur e2 de la seconde zone 4 se prolonge au niveau de la première zone 3, qui se présente alors sous la forme d'un disque tronconique. Ainsi, on allonge la ligne de chanfrein associée au chanfrein 6B par rapport à celle du chanfrein 6A de la figure 2A. Dans l'exemple de la figure 2C, en plus d'un chanfrein 6B à l'extrémité d'attaque 4B, la seconde zone 4 comporte également un second chanfrein 6C à son extrémité longitudinale opposée 4A. Le chanfrein 6C est utilisé pour chanfreiner le bord de sortie 9 du trou final Of. Grâce aux chanfreins 6B et 6C de l'outil 1 de la figure 2C, les bords d'entrée 8 et de sortie 9 du trou Of peu-vent être biseautés au moyen d'un seul et unique outil de perçage 1. Dans l'exemple de la figure 2D, la première zone abrasive 3 à gros grains permet l'usinage en interpolation hélicoïdale d'un trou initial Oi. La seconde zone 4 à grains fins, à laquelle sont associés les deux chanfreins cônes 6B et 6C, permet la formation simultanée, par un mouvement circulaire de l'axe L-L de l'outil 1, du trou final Of et des chanfreins d'entrée et de sortie. Bien entendu, les chanfreins d'entrée et de sortie peuvent être façonnés ultérieurement, après alésage du trou final Of. Il est à noter que la jonction entre la première zone 3 et la seconde zone 4 de l'outil 1 peut se présenter sous la forme d'une arête vive rentrée ou saillante, ou bien encore d'un arrondi. Conformément à l'invention, comme le représentent les figures 4 et 5A et 5B, l'opération de perçage d'un trou final Of dans une pièce en CMO par un outil de perçage 1 du type de celui décrit en référence aux figures 1, 2A à 2D, se décompose en une succession d'étapes (détaillées ci-après) mises en oeuvre automatiquement par une machine outil (non représentée) sur laquelle l'outil de perçage 1 est monté. Les figures 4, 5A et 5B représentent une portion 10 d'une pièce en CMO, ainsi que deux axes orthogonaux X-X et Y-Y d'un plan local de cette portion 10. Le trou final Of est centré sur un axe de trou Z-Z orthogonal aux deux axes X-X et Y-Y. Tout abord, comme le montre la figure 5A, on perce un trou initial Oi, ayant un diamètre initial et un axe de trou Z-Z, par un mouvement d'interpolation hélicoïdale (symbolisé par la flèche F1 des figures 4 et 5A) de l'outil 1 mû en rotation autour de son axe longitudinal L-L (flèche F2). Le mou- vement d'interpolation hélicoïdale F1 est défini par un déplacement en hélice de l'axe L-L décalé d'une distance dl par rapport à l'axe Z-Z. Ensuite, on alèse le trou initial Oi ainsi formé par un mouvement circulaire (symbolisé par la flèche F3) de l'outil de perçage 1 en rotation dans un plan orthogonal à l'axe longitudinal L-L, pour obtenir le trou final Of, coaxial au trou initial Oi, de diamètre prédéfini supérieur au diamètre initial. Le mouvement circulaire de l'outil est réalisé autour de l'axe Z-Z avec un décalage pré-déterminé d2 de l'axe longitudinal L-L de l'outil 1 par rapport à l'axe Z-Z. Lorsque l'outil de perçage 1 est équipé d'un ou plusieurs chanfreins 6A, 6B, 6C, le procédé de l'invention peut mettre en oeuvre une étape de chan- freinage d'un ou des bords 8, 9 du trou final Of. L'étape de chanfreinage consiste en un déplacement circulaire plan de l'outil 1 en rotation autour de l'axe de trou Z-Z à une distance déterminée de celui-ci. Par ailleurs, il convient de noter : que, en pratique, la vitesse du déplacement en translation longitudinale lors du mouvement d'interpolation hélicoïdale de l'outil de perçage 1 en rotation est comprise entre 0,05 mm et 0,3 mm par tour d'outil autour de son axe longitudinal L-L ; et que le procédé de perçage précité est également applicable à la réalisation de trous ayant un axe de trou non orthogonal à la face d'entrée de la portion 10. REVENDICATIONS1. Outil de perçage d'un trou (Of) dans une pièce (10), notamment en matériau composite à matrice organique, caractérisé par le fait qu'il comporte deux zones abrasives distinctes : une première zone abrasive d'attaque (3), de forme circulaire, à gros grains pour former l'ébauche du trou (Oi), le diamètre de ladite première zone étant compris entre 1 mm et 25 mm ; et une seconde zone abrasive de polissage et d'alésage (4) à grains fins pour parachever le perçage du trou (Of). 2. Outil selon la revendication 1 comprenant un corps oblong (2), de préférence de forme cylindrique, dans lequel : la première zone abrasive (3) s'étend sur la face d'une des extrémités longitudinales (2B) dudit corps ; et la seconde zone abrasive (4) s'étend sur au moins une partie de la surface latérale dudit corps (2) depuis ladite extrémité longitudinale (2B) de ce der- nier. 3. Outil de perçage selon la revendication précédente, dans lequel la face d'extrémité longitudinale (2B) formant la première zone abrasive (3) est plane. 4. Outil selon l'une des revendications précédentes, comprenant des rainures d'alimentation en fluide de coupe (5), de préférence hélicoïdales, ménagées dans l'épaisseur (e2) de la seconde zone abrasive (4) et s'étendant sur au moins une partie de cette dernière. 5. Outil selon l'une des revendications 2 à 3, comprenant des canaux de lubrification internes ménagés dans le corps (2) et débouchant en surface de la première zone abrasive (3) et/ou de la seconde zone abrasive (4). 6. Outil de perçage selon l'une des revendications précédentes, comprenant des moyens pour chanfreiner (6A, 6B, 6C) un des bords (8, 9) du trou final (Of) qui sont agencés sur au moins une des deux zones abrasives (3, 4). 7. Outil de perçage selon la revendication précédente, dans lequel les moyens de chanfreinage se présentent sous la forme d'un chanfrein (6A, 6B) pratiqué dans l'épaisseur (e2) de la seconde zone abrasive (4), à une de ses extrémités longitudinales (4B). 8. Procédé de perçage de trous (Oi, Of) dans une pièce (10), notamment en matériau composite à matrice organique, au moyen d'un outil de perçage (1) tel que spécifié sous l'une des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que l'on perce un trou initial (Oi), ayant un diamètre initial et un axe de trou (Z-Z), grâce à un mouvement d'interpolation hélicoïdale (F1) de l'outil (1) mû en rotation autour de son axe longitudinal (L-L), défini par un déplacement en hélice dudit axe longitudinal (L-L) décalé par rapport à l'axe de trou (Z-Z). 9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel on alèse le trou initial (Oi) par un mouvement circulaire de l'outil de perçage (1) en rotation dans un plan orthogonal à son axe longitudinal (L-L), de manière à obtenir un trou final (Of), coaxial au trou initial (Oi), de diamètre prédéfini supérieur au diamètre initial. 10. Procédé selon la revendication 9 lorsque l'outil de perçage est du type de celui spécifié sous l'une des revendications 6 ou 7, dans lequel on chanfreine au moins un des bords (8, 9) du trou final (Of). 11. Procédé selon l'une des revendications 8 à 10, dans lequel la vitesse du déplacement en translation longitudinale lors du mouvement d'interpolation hélicoïdale de l'outil de perçage (1) en rotation est comprise entre 0,05 mm et 0,3 mm par tour d'outil autour de l'axe longitudinal (L-L). 12. Pièce en matériau composite à matrice organique, notamment une bride de carter de turboréacteur d'aéronef, caractérisée par le fait qu'elle comporte au moins un trou (Oi, Of) obtenu par le procédé de perçage tel que spécifié sous l'une des revendications 8 à 11.