Brevet FR3044947A1 — publié le 20170616

Machine de perçage ou de fraisurage à avance contrôlée Le domaine de l'invention concerne la conception et de la fabrication de machines portatives, notamment de perçage ou de fraisurage. Plus précisément, il se rapporte à une machine possédant une vitesse d'avance contrôlée de l'outil. De nos jours, les différents secteurs industriels cherchent à optimiser les performances des produits développés de manière à respecter différentes contraintes économiques et environnementales. Il en est de même pour le milieu de la construction aéronautique, qui utilise de plus en plus, au sein des avions, des structures composées d'un ou plusieurs matériaux de nature et de caractéristiques différentes, afin de limiter le poids des avions, et donc leur consommation de carburant. Ces divers matériaux peuvent être superposés lors de l'assemblage sous forme de panneaux, par exemple en utilisant un empilage d'alliage d'aluminium associé à de la fibre de carbone, ou à du titane. De plus, ces différents matériaux exigent, afin d'être percés et/ou fraisurés de manière optimale, des paramètres de coupe différents, par exemple en terme de vitesse de rotation de l'outil de coupe, et de vitesse d'avance. Le respect de ces différents paramètres de coupe permet, dans le cas où l'outil de coupe ou foret utilisé est approprié aux matériaux à usiner, d'augmenter la durée de vie de l'outil de coupe ou foret, d'améliorer la qualité du perçage réalisé, et de limiter le risque de détérioration des pièces percées. De ce fait, les différents coûts de réalisation des constructeurs aéronautiques sont limités. Pour réaliser les applications demandées, les machines de perçage portatives ou perceuses à vitesse d'avance contrôlée gèrent avec une grande fiabilité la vitesse d'avance de la broche, qui est liée à la fréquence de rotation du moteur de broche et à la fréquence de rotation du moteur d'avance. Au sein des usines de construction aéronautique, il existe plusieurs types de machines de perçage portatives ou perceuses, dites « à avance semi-automatisée » ou « à avance automatisée ». Ces différentes machines comprennent généralement une broche, l'axe sur lequel vient se fixer l'outil coupant. La rotation de la broche s'effectue sous l'action d'un premier système de transmission lié à un unique moteur. L'avance de la broche s'effectue sous l'action d'un second système de transmission lié mécaniquement au premier système de transmission. Une avance automatique de la broche est obtenue dès que la broche est entraînée en rotation par le moteur. 3044947 2 Suivant la technologie, ces machines permettent éventuellement de changer la vitesse de rotation de la broche. Toutefois, la vitesse d'avance de la broche n'est pas modifiable indépendamment de sa vitesse de rotation. Il existe également des machines portatives de perçage dites « à avance 5 contrôlée » permettant de faire varier la vitesse de rotation de la broche, d'une part, et la vitesse d'avance, d'autre part. Ces machines permettent de réaliser des perçages ou des fraisurages sur des panneaux composés de plusieurs couches de matériaux différents. Pour ce faire, ces machines de perçages portatives à vitesse d'avance contrôlée comprennent un moteur gérant la mise en rotation de la broche, et un moteur 10 supplémentaire gérant l'avance de la broche. . La rotation est par exemple assurée par une partie cannelée de la broche, tandis que l'avance de la broche est réalisée par une partie filetée de la broche. La plupart de ces machines ont une compacité moindre et une fiabilité réduite par la complexité de la programmation du cycle de perçage. De plus, ces perceuses à vitesse 15 d'avance contrôlée sont généralement réalisées pour des applications spécifiques. Elles ne permettent pas de réaliser des perçages aux diamètres variés intervenant par exemple dans la construction d'un avion. Un but de l'invention est donc de pallier ces problèmes, c'est-à-dire en particulier de fournir une machine de perçage ou de fraisurage facile à utiliser, fiable, et couvrant 20 une large étendue d'applications. A cet effet, l'invention concerne une machine portative, notamment de perçage ou fraisurage, notamment de pièces composant des structures d'avions, comprenant : - un châssis, et une broche s'étendant selon un axe et destinée à porter un outil de coupe ou un foret, 25 - un premier dispositif de transmission pour entraîner la broche en rotation autour de l'axe par rapport au châssis, le premier dispositif de transmission comportant au moins un pignon, la broche ayant une vitesse de rotation, - un premier moteur d'entraînement du premier dispositif de transmission, - un deuxième dispositif de transmission pour entraîner la broche en translation 30 selon l'axe par rapport au châssis, le deuxième dispositif de transmission comportant un train épicycloïdal, et - un deuxième moteur d'entraînement du deuxième dispositif de transmission, le deuxième moteur ayant une vitesse de rotation. Le train épicycloïdal comprend un planétaire intérieur d'entrée relié mécaniquement audit pignon, un porte satellite entraîné en rotation par le deuxième moteur par rapport au châssis, et un planétaire intérieur de sortie, le deuxième dispositif 3044947 3 de transmission incluant un système de liaison disposé mécaniquement entre le planétaire intérieur de sortie et la broche pour convertir une vitesse de rotation du planétaire intérieur de sortie en une vitesse de translation de la broche, et le deuxième dispositif de transmission a des rapports de transmission adaptés pour que, quelle que 5 soit la vitesse de rotation de la broche, la vitesse de translation de la broche soit nulle lorsque la vitesse de rotation du deuxième moteur est nulle. Selon des modes particuliers de réalisation, la machine comprend l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : 10 - le premier moteur a une vitesse de rotation et le premier dispositif de transmission comprend un train d'engrenages configurés pour que la vitesse de rotation de la broche soit proportionnelle à la vitesse de rotation du premier moteur ; - les rapports de transmission du deuxième dispositif de transmission et le système de liaison sont adaptés pour que la vitesse de translation de la broche soit 15 proportionnelle à la vitesse de rotation du deuxième moteur ; - le premier dispositif de transmission comprend un pignon d'entraînement et une bague d'entraînement pour l'entraînement en rotation la broche, la bague d'entraînement étant solidaire du pignon d'entraînement et montée glissante sur la broche selon l'axe ; - la machine comprend un capteur adapté pour fournir un paramètre représentatif 20 d'une position de la broche par rapport au châssis selon l'axe ; - le système de liaison comprend un pignon écrou ; - le pignon écrou engrène sur un pignon solidaire du planétaire intérieur de sortie du train épicycloïdal ; - le premier moteur et le deuxième moteur sont électriques ; et 25 - le premier dispositif de transmission comprend un système de renvoi d'angle relié mécaniquement au premier moteur. L'invention concerne aussi un procédé de perçage et fraisurage, notamment de pièces composant des structures d'avions, comprenant les étapes suivantes : - fourniture d'un châssis, et d'une broche s'étendant selon un axe et destinée à 30 porter un outil de coupe ou un foret, - fourniture d'un premier dispositif de transmission comportant au moins un pignon, - entraînement du premier dispositif de transmission par un premier moteur, - entraînement de la broche en rotation autour de l'axe par rapport au châssis par 35 le premier dispositif de transmission, la broche ayant une vitesse de rotation, 3044947 4 - fourniture d'un deuxième dispositif de transmission incluant un train épicycloïdal, le train épicycloïdal comprenant un planétaire intérieur d'entrée relié mécaniquement audit pignon, un porte satellite, et un planétaire intérieur de sortie, le deuxième dispositif de transmission incluant un système de liaison disposé mécaniquement entre le planétaire 5 intérieur de sortie et la broche, - entraînement du porte satellite en rotation par rapport au châssis par un deuxième moteur ayant une vitesse de rotation, - entraînement de la broche en translation selon l'axe par rapport au châssis par le deuxième dispositif de transmission, et 10 - conversion de la vitesse de rotation du planétaire intérieur de sortie en une vitesse de translation de la broche par le système de liaison, le deuxième dispositif de transmission ayant des rapports de transmission adaptés pour que, quelle que soit la vitesse de rotation de la broche, la vitesse de translation de la broche soit nulle lorsque la vitesse de rotation du deuxième moteur est nulle. 15 L'invention s'applique notamment à une machine de perçage à vitesse d'avance contrôlée où plusieurs moyens sont intégrés de manière à dissocier la gestion de la vitesse d'avance de la fréquence de rotation du moteur entraînant en rotation la broche, appelé moteur de broche, et ainsi cette gestion ne dépend que de la fréquence de rotation du moteur entraînant la broche en translation, appelé moteur d'avance. Pour ce faire, la 20 machine de perçage à vitesse d'avance contrôlée comprend une broche permettant d'entraîner en mouvement un outil coupant préalablement fixé à celle-ci, et des moteurs. La broche et lesdits moteurs sont reliés par des transmissions mécaniques comprenant par exemple : un élément mécanique taraudé, ici appelé pignon écrou, qui, lorsqu'il est mis en 25 rotation grâce auxdits moteurs et transmissions mécaniques, permet la translation de la broche selon son axe. La broche comprend une partie filetée coopérant avec un pignon écrou ; et une bague d'entraînement en rotation également susceptible d'être entraînée en rotation via lesdites transmissions mécaniques et lesdits moteurs, et liée en 30 rotation à la broche, mais libre en translation par rapport à celle-ci. Les moteurs utilisés comprennent par exemple : un premier moteur permettant d'entraîner la broche en rotation via lesdites transmissions mécaniques. Ce moteur est généralement appelé moteur de broche ; et 3044947 5 un deuxième moteur permettant d'entraîner en translation ladite broche le long de son axe via lesdites transmissions. Ce moteur est généralement appelé moteur d'avance. Lesdits moyens de transmissions comprennent par exemple : 5 un train d'engrenages pour assurer la fonction de rotation de la broche, un train épicycloïdal utilisé pour la fonction de translation de la broche, dont au moins un des composants est optionnellement relié au moteur d'avance par une transmission mécanique, et dont au moins un des composants est relié audit train d'engrenage utilisé pour la rotation de la broche. 10 Lesdits moyens de transmissions sont dimensionnés de telle manière que la vitesse d'avance de la broche ne dépende avantageusement que de la fréquence de rotation du moteur d'avance. Ainsi, grâce aux caractéristiques ci-dessus, la vitesse d'avance de la broche, et par conséquent de l'outil coupant, dépend uniquement de la fréquence de rotation du 15 moteur d'avance. De ce fait, la gestion de l'avance dépend donc uniquement de la gestion de la fréquence de rotation du moteur d'avance. Du fait de cette gestion de la vitesse d'avance par la seule gestion de la fréquence de rotation du moteur d'avance, la fiabilité de la machine est améliorée par rapport à l'état de la technique. En effet, en rendant la vitesse d'avance indépendante de la fréquence de 20 rotation du moteur de broche, le risque d'erreur de mesure intervenant dans la programmation de la machine est limité. De plus, les risques de détérioration sont également réduits. On décrit, en relation avec le schéma cinématique présenté dans la figure, un exemple de réalisation d'une machine 1 de perçage et de fraisurage avantageusement 25 portative, à vitesse d'avance contrôlée, selon l'invention. En variante, la machine 1 est destinée à ne réaliser que du perçage ou que du fraisurage. Comme représenté sur la figure, la machine 1 comprend une broche 2 s'étendant selon un axe D, un châssis 100, un premier dispositif de transmission 3 assurant la 30 fonction de mettre en rotation la broche autour de l'axe D par rapport au châssis, ainsi qu'un deuxième dispositif de transmission 5 assurant la fonction de mettre en translation ladite broche 2 par rapport au châssis selon l'axe D. La broche 2 permet de fixer à son extrémité un outil coupant (non représenté) ou tout autre élément (non représenté) permettant d'adapter un tel outil. 3044947 6 La broche 2 est conçue de manière à pouvoir être entraînée en rotation par une bague d'entraînement 15, tout en étant mobile en translation selon l'axe D par rapport à cette même bague d'entraînement 15. La bague d'entraînement 15 fait partie d'un train d'engrenage du premier dispositif de transmission 3. 5 La broche 2 est conçue de manière à pouvoir être entraînée en translation par rapport au châssis 100 selon l'axe D par la rotation d'un pignon écrou 25. La broche 2 est par exemple filetée sur la partie assurant cette fonction. Un pignon écrou 25, qui fait partie du deuxième dispositif de transmission 5, comporte un taraudage coopérant avec celui de ladite broche 2. 10 Le premier dispositif de transmission 3 et le deuxième dispositif de transmission 5 sont entraînés respectivement par un premier moteur 4 et un deuxième moteur 6. Le premier moteur (4) et le deuxième moteur (6) sont avantageusement électriques. Le premier moteur 4, servant à la mise en rotation de la broche, est relié au train 15 d'engrenages du premier dispositif de transmission 3 assurant la rotation de la broche 2. Un réducteur (non représenté) est optionnellement présent en sortie du premier moteur 4, pour faire la liaison entre le premier moteur 4 et un pignon conique 10 d'entrée du premier système de transmission 3. Dans cet exemple, la machine 1 est équipée d'un couple conique formé par le 20 pignon conique 10 et un pignon conique 11. De ce fait, la machine 1 est dans une configuration de type « à renvoi d'angle ». Selon une variante (non représentée), le couple conique 10 et 11 est retiré afin d'obtenir une configuration de la machine de perçage 1 de type « en ligne ». Le pignon conique 11 est solidaire d'un pignon d'entrée 12. Le pignon conique 10 25 entraîne donc en rotation ces deux pignons 11 et 12. Un pignon 13 intermédiaire est entraîné en rotation autour d'un axe D1 par rapport au châssis 100 par le pignon d'entrée 12 dans le sens opposé par rapport à celui-ci. Un pignon d'entraînement 14 est lié en rotation au pignon 13 intermédiaire dans le sens opposé par rapport à celui-ci. De plus, le pignon d'entraînement 14 est solidaire de la bague d'entraînement 15. La mise en rotation 30 du train d'engrenages du premier dispositif de transmission 3 entraîne donc la mise en rotation de la broche 2 autour de l'axe D par rapport au châssis 100. Ce montage permet donc de mettre en rotation la broche 2 à une fréquence de rotation proportionnelle à celle du premier moteur 4 suivant le rapport de transmission donné par le dimensionnement du train d'engrenage 3. 3044947 7 Le deuxième moteur 6 est, quant à lui, relié mécaniquement au deuxième dispositif de transmission 5 en translation, par exemple par un train d'engrenages 101. Le train d'engrenage 101 permet un bon rendement mécanique de transmission. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, le deuxième moteur 6 est lié 5 directement au deuxième dispositif de transmission 5 ou par tout autre système de transmission d'un mouvement de rotation. Le deuxième dispositif de transmission 5 se compose en grande partie d'un train épicycloïdal 200. Ce train épicycloïdal 200 comprend un porte satellite 20, un satellite 21 à double denture, ou double satellite, un planétaire intérieur d'entrée 22 relié 10 mécaniquement au train d'engrenages du premier dispositif de transmission 3, et un planétaire intérieur de sortie 23. Le porte satellite 20 possède un axe propre D2 et est relié au deuxième moteur 6 par le train d'engrenages 101. Le satellite 21 est monté sur le porte satellite 20 de manière à permettre sa rotation autour de son axe propre D2. 15 Une des dentures du satellite 21 est engrenée par le planétaire intérieur d'entrée 22. Ce planétaire intérieur d'entrée 22 est solidaire du pignon 13 en rotation autour de l'axe D1. Le planétaire intérieur d'entrée 22 possède alors une fréquence de rotation proportionnelle à la fréquence de rotation du premier moteur 4. La deuxième denture du satellite 21 engrène, quant à elle, le planétaire intérieur de sortie 23. Le planétaire 20 intérieur de sortie 23 est solidaire d'un pignon 24 d'axe Dl. Le pignon 24 engrène le pignon écrou 25 en rotation autour de l'axe D de la broche 2. Le train épicycloïdal 200, le pignon 24 et le pignon écrou 25 sont dimensionnés de telle sorte que, lorsque la fréquence de rotation du deuxième moteur 6 est nulle, le pignon 25 écrou 25 ait la même fréquence de rotation que celle du pignon d'entraînement 14 et de la bague d'entraînement 15 mettant la broche 2 en rotation. De ce fait, la vitesse d'avance de la broche 2, ou vitesse de translation par rapport au châssis 100 selon l'axe D, est nulle lorsque le deuxième moteur 6 a une fréquence de rotation nulle, et ce quelle que soit la fréquence de rotation du premier moteur 4. Dit 30 autrement, la vitesse d'avance de la broche 2 dépend uniquement de la fréquence de rotation du deuxième moteur 6, comme évoqué précédemment. Le deuxième moteur 6 règle donc l'avance de la broche 2 indépendamment de la fréquence de rotation du premier moteur 4. Le pignon d'entraînement 14 et le pignon écrou 25 tournent dans le même sens de 35 rotation autour de l'axe D de la broche 2 et permettent, lorsque le pignon écrou 25 possède une fréquence de rotation supérieure à celle du pignon d'entraînement 14, de 3044947 8 faire avancer la broche 2 à la vitesse d'avance programmée et gérée par la fréquence de rotation du premier moteur 6. Le renvoi d'angle 10-11 étant réalisé par des pièces sans contact mécanique direct avec le train épicycloïdal 200, l'inertie du deuxième système de transmission 5 est 5 réduite. Cela réduit aussi les erreurs relatives entre la programmation et la mécanique et permet une bonne adaptation de la machine aux matériaux à percer lors du changement de vitesse d'avance. Ceci augmente la fiabilité de la machine 1. La machine 1 comprend avantageusement un capteur 102 adapté pour fournir un paramètre représentatif d'une position de la broche 2 par rapport au châssis 100 selon l'axe D. 10 De plus, à la fin de cycle de perçage, une inversion du sens de rotation du deuxième moteur 6 permet d'effectuer un retour de la broche 2 dans une position initiale par rapport au châssis 100. La fin de cycle peut être détectée par une butée mécanique ou par d'autres moyens de commande connus de l'homme du métier. Les caractéristiques ci-dessus permettent de réaliser toutes les étapes d'un cycle 15 de perçage de manière automatique, au moyen de différents éléments de programmation et de commande (non représentés), en assurant un contrôle de la fréquence de rotation et de la vitesse d'avance de la broche 2, tout en fiabilisant et en sécurisant les opérations de perçage et/ou fraisurage. 20 REVENDICATIONS1.- Machine (1) portative, notamment de perçage ou fraisurage, notamment de pièces composant des structures d'avions, comprenant : - un châssis (100), et une broche (2) s'étendant selon un axe (D) et destinée à porter un outil de coupe ou un foret, - un premier dispositif de transmission (3) pour entraîner la broche (2) en rotation autour de l'axe (D) par rapport au châssis (100), le premier dispositif de transmission (3) comportant au moins un pignon (13), la broche (2) ayant une vitesse de rotation, - un premier moteur (4) d'entraînement du premier dispositif de transmission (3), - un deuxième dispositif de transmission (5) pour entraîner la broche (2) en translation selon l'axe (D) par rapport au châssis (100), le deuxième dispositif de transmission (5) comportant un train épicycloïdal (200), et - un deuxième moteur (6) d'entraînement du deuxième dispositif de transmission (5), le deuxième moteur (6) ayant une vitesse de rotation, caractérisée en ce que : - le train épicycloïdal (200) comprend un planétaire intérieur d'entrée (22) relié mécaniquement audit pignon (13), un porte satellite (20) entraîné en rotation par le deuxième moteur (6) par rapport au châssis (100), et un planétaire intérieur de sortie (23), le deuxième dispositif de transmission (5) incluant un système de liaison (24-25) disposé mécaniquement entre le planétaire intérieur de sortie (23) et la broche (2) pour convertir une vitesse de rotation du planétaire intérieur de sortie (23) en une vitesse de translation de la broche (2), et - le deuxième dispositif de transmission (5) a des rapports de transmission adaptés pour que, quelle que soit la vitesse de rotation de la broche (2), la vitesse de translation de la broche (2) soit nulle lorsque la vitesse de rotation du deuxième moteur (6) est nulle. 2.- Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que : - le premier moteur (4) a une vitesse de rotation, - le premier dispositif de transmission (3) comprend un train d'engrenages (10-1112-13-14) configurés pour que la vitesse de rotation de la broche (2) soit proportionnelle à la vitesse de rotation du premier moteur (4). 3.- Machine selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les rapports de transmission du deuxième dispositif de transmission (5) et le système de liaison (24-25) 3044947 10 sont adaptés pour que la vitesse de translation de la broche (2) soit proportionnelle à la vitesse de rotation du deuxième moteur (6). 4.- Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce 5 que le premier dispositif de transmission (3) comprend un pignon d'entraînement (14) et une bague d'entraînement (15) pour l'entraînement en rotation la broche (2), la bague d'entraînement (15) étant solidaire du pignon d'entraînement (14) et montée glissante sur la broche (2) selon l'axe (D). 10 5.- Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle comprend un capteur (102) adapté pour fournir un paramètre représentatif d'une position de la broche (2) par rapport au châssis (100) selon l'axe (D). 6.- Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce 15 que le système de liaison (24-25) comprend un pignon écrou (25). 7.- Machine selon la revendication 6, caractérisée en ce que le pignon écrou (25) engrène sur un pignon (24) solidaire du planétaire intérieur de sortie (23) du train épicycloïdal (200). 20 8.- Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le premier moteur (4) et le deuxième moteur (6) sont électriques. 9.- Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce 25 que le premier dispositif de transmission (3) comprend un système de renvoi d'angle (10- 11) relié mécaniquement au premier moteur (4). 10.- Procédé de perçage et fraisurage, notamment de pièces composant des structures d'avions, comprenant les étapes suivantes : 30 - fourniture d'un châssis (100), et d'une broche (2) s'étendant selon un axe (D) et destinée à porter un outil de coupe ou un foret, - fourniture d'un premier dispositif de transmission (3) comportant au moins un pignon (13), - entraînement du premier dispositif de transmission (3) par un premier moteur (4), 3044947 11 - entraînement de la broche (2) en rotation autour de l'axe (D) par rapport au châssis (100) par le premier dispositif de transmission (3), la broche (2) ayant une vitesse de rotation, - fourniture d'un deuxième dispositif de transmission (5) incluant un train 5 épicycloïdal (200), le train épicycloïdal (200) comprenant un planétaire intérieur d'entrée (22) relié mécaniquement audit pignon (13), un porte satellite (20), et un planétaire intérieur de sortie (23), le deuxième dispositif de transmission (5) incluant un système de liaison (24-25) disposé mécaniquement entre le planétaire intérieur de sortie (23) et la broche (2), 10 - entraînement du porte satellite (20) en rotation par rapport au châssis (100) par un deuxième moteur (6) ayant une vitesse de rotation, - entraînement de la broche (2) en translation selon l'axe (D) par rapport au châssis (100) par le deuxième dispositif de transmission (5), et - conversion de la vitesse de rotation du planétaire intérieur de sortie (23) en une 15 vitesse de translation de la broche (2) par le système de liaison (24-25), le deuxième dispositif de transmission (5) ayant des rapports de transmission adaptés pour que, quelle que soit la vitesse de rotation de la broche (2), la vitesse de translation de la broche (2) soit nulle lorsque la vitesse de rotation du deuxième moteur (6) est nulle. 20