Brevet FR3050950A1 — publié le 20171110

DOMAINE DE L'INVENTION [0001] L'invention concerne un appareil et un procédé destinés à refroidir un outil de coupe. Plus particulièrement, l'invention concerne un appareil et un procédé destinés à refroidir un outil de coupe à l'aide de CO2 supercritique. 10 ARRIÈRE-PLAN DE L'INVENTION [0002] Désormais, de nombreux fabricants se soucient du respect de l'environnement et la mise en oeuvre de la micro-lubrification (MOL, Minimum Quantity Lubrication) à l'aide du lubrifiant approprié est une étape requise dans cette direction. La micro- 15 lubrification est le processus consistant à appliquer des quantités infimes de lubrifiant de haute qualité directement à l'interface plaquette de coupe/pièce à usiner au lieu d'utiliser des liquides de refroidissement traditionnels. La micro-lubrification minimise l'impact sur l'environnement en réduisant de manière significative l'utilisation de liquide et en supprimant la nécessité de traiter et d'éliminer le liquide de refroidissement. 20 [0003] Malheureusement, les liquides actuels pour l'usinage des métaux favorisent la lubrification au détriment du refroidissement. L'ajout d'huile réduit le refroidissement. L'ajout d'eau réduit le pouvoir lubrifiant. La micro-lubrification par huile dans l'air a un pouvoir lubrifiant correct mais une faible aptitude au refroidissement. L'azote liquide a une aptitude au refroidissement correcte mais un faible pouvoir lubrifiant. 25 [0004] Par conséquent, il existe un besoin de fournir un appareil et un procédé permettant de refroidir un outil de coupe à l'aide de micro-lubrification tout en procurant une lubrification et un refroidissement maximum à l'interface plaquette de coupe/pièce à usiner. 1 3050950 2 RÉSUMÉ DE L'INVENTION [0005] Le problème consistant à procurer un refroidissement et une lubrification maximale à l'interface plaquette de coupe/pièce à usiner par mise en oeuvre de micro-lubrification est résolu par un appareil et un procédé destinés à refroidir un outil de 5 coupe qui comprend un emboîtement inversé comportant au moins une rainure pour liquide de refroidissement qui distribue du CO2 supercritique à l'interface plaquette de coupe/pièce à usiner. [0006] Selon un aspect de l'invention, un porte-outil comprend un ensemble poche comportant une partie emboîtement et une partie serrage. Un emboîtement inversé est monté dans la partie emboîtement. L'emboîtement inversé inclut une poche réceptrice de plaquette de coupe destinée à recevoir une plaquette de coupe. Un coin de serrage est monté dans la partie serrage de telle sorte que la plaquette de coupe est en prise avec le coin de serrage. L'emboîtement inversé inclut une ou plusieurs rainures pour liquide de refroidissement qui coopèrent avec la plaquette de coupe pour diriger du dioxyde de carbone supercritique vers une interface outil de coupe/pièce à usiner. [0007] Selon un autre aspect de l'invention, un emboîtement inversé pour un porte- outil comprend une surface supérieure, une surface inférieure opposée à la surface supérieure et une pluralité de surfaces latérales ; et une partie nez avant pourvue d'une poche réceptrice de plaquette destinée à recevoir une plaquette de coupe. La poche réceptrice de plaquette inclut une paire de parois latérales et une paroi supérieure pour fournir un contact à trois points entre la plaquette de coupe et la poche réceptrice de plaquette lorsque la plaquette de coupe est montée dans celle-ci. La surface supérieure de la poche réceptrice de plaquette de l'emboîtement inversé inclut une ou plusieurs rainures pour liquide de refroidissement qui coopèrent avec la plaquette de coupe pour diriger du dioxyde de carbone supercritique vers une interface outil de coupe/pièce à usiner. [0008] Selon un autre aspect de l'invention, un procédé destiné à diriger du dioxyde de carbone supercritique vers une interface plaquette de coupe/pièce à usiner d'un porte-outil comprend les étapes consistant à: monter un emboîtement inversé dans une partie emboîtement d'un ensemble poche d'un porte-outil, l'emboîtement inversé incluant une poche réceptrice de plaquette destinée à recevoir une plaquette de coupe ; et ; 3050950 3 monter un coin de serrage dans une partie serrage de l'ensemble poche du porte-outil de telle sorte que la plaquette de coupe est en prise avec le coin de serrage, dans lequel l'emboîtement inversé inclut une ou plusieurs rainures pour liquide de refroidissement qui coopèrent avec la plaquette de coupe pour diriger du 5 dioxyde de carbone supercritique vers une interface outil de coupe/pièce à usiner. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS [0009] Bien que divers modes de réalisation de l'invention soient illustrés, les modes de réalisation particuliers représentés ne doivent pas être interprétés comme 10 limitant les revendications. Diverses modifications peuvent être apportées sans que l'on s'écarte pour autant du cadre de cette invention. [0010] La figure 1 est une vue en perspective d'un outil de coupe pourvu d'un emboîtement inversé comportant une ou plusieurs rainures, une plaquette de coupe et un coin de serrage selon un mode de réalisation de l'invention ; 15 [0011] La figure 2 est une vue de côté de l'outil de coupe de la figure 1 ; [0012] La figure 3 est une vue de dessus de l'outil de coupe de la figure 1 ; [0013] La figure 4 est une vue en perspective partielle de l'ensemble poche de l'outil de coupe de la figure 1, l'emboîtement inversé, la plaquette de coupe et le coin de serrage étant retirés pour plus de clarté ; et 20 [0014] La figure 5 est une vue en perspective de dessous de l'emboîtement inversé avec la plaquette de coupe montée dans la poche réceptrice de plaquette de l'emboîtement inversé selon un mode de réalisation de l'invention ; [0015] La figure 6 est une vue en perspective de dessus de l'emboîtement inversé, la poche réceptrice de plaquette, un orifice d'entrée, un passage interne pour liquide de 25 refroidissement, un collecteur et une ou plusieurs rainures étant représentés en traits pointillés ; [0016] La figure 7 est une vue de côté de l'emboîtement inversé et de la plaquette de coupe représentés sur la figure 5 ; [0017] La figure 8 est une vue de côté de l'emboîtement inversé et de la plaquette 30 de coupe représentés sur la figure 5 ; 3050950 4 [0018] La figure 9 est une vue de dessous agrandie de la poche réceptrice de plaquette de l'emboîtement inversé montrant la rainure ou plusieurs rainures, un collecteur et un passage interne pour liquide de refroidissement selon un mode de réalisation de l'invention ; [0019] La figure 10 est une vue de dessus de l'emboîtement inversé de la figure 5; 5 [0020] La figure 11 est une vue en coupe transversale de l'emboîtement inversé effectuée le long de la ligne 11-11 de la figure 10; [0021] La figure 12 est une vue agrandie de l'interface plaquette de coupe/pièce à usiner montrant le liquide de refroidissement distribué sur une face inférieure d'un copeau lors d'une opération d'usinage ; 10 [0022] La figure 13 est une vue en perspective du coin de serrage selon un mode de réalisation de l'invention ; [0023] La figure 14 est une vue de côté du coin de serrage de la figure 13; [0024] La figure 15 est une vue de dessous du coin de serrage de la figure 13 ; et [0025] La figure 16 est une vue de dessus du coin de serrage de la figure 13. 15 DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L'INVENTION [0026] Si l'on se réfère aux dessins dans lesquels des repères identiques désignent des éléments identiques, les figures 1 à 4 représentent une vue générale d'un porte-outil 10 selon un mode de réalisation de l'invention. Le type particulier de porte-outil 10 illustré est conçu 20 pour effectuer des opérations d'usinage de type tournage. Cependant, le fait de mentionner le porte-outil comme un porte-outil de tournage ne vise pas à limiter la portée de l'invention. Les types de porte-outil auxquels l'invention se rapporte incluent, sans limitation, toute conception de porte-outil ayant la capacité de distribuer du liquide de refroidissement de façon interne à l'interface plaquette de coupe/pièce à usiner. Par exemple, les principes de 25 l'invention peuvent être mis en pratique avec une fraise, un outil à aléser, etc. La portée et l'esprit véritables de l'invention sont indiqués par les revendications jointes. [0027] En général, le porte-outil 10 présente une extrémité avant axiale 12 et une extrémité arrière axiale 14. Comme le montre la figure 4, le porte-outil 10 comporte une partie tête 16 à l'extrémité avant axiale 12 avec un ensemble poche, représenté globalement 30 par le repère 18. L'ensemble poche 18 comporte une partie emboîtement 20 destinées à recevoir un emboîtement inversé 22 et une partie serrage 24 destinée à recevoir un coin de 3050950 5 serrage 26. La section emboîtement 20 comporte une paire de parois latérales 20a, 20b et une paroi inférieure 20c. Un dégagement d'angle 20d peut être formé entre les parois latérales 20a, 20b pour procurer un dégagement pour l'emboîtement inversé 22 lorsqu'il y est monté. La paroi inférieure 20c de la partie emboîtement 20 inclut un orifice pour liquide 5 de refroidissement 21 qui est en communication fluidique avec une source de liquide de refroidissement (non représentée) et au moins une ouverture filetée 23 destinée à fixer l'emboitement inversé 22 sur la partie emboîtement 20 de l'ensemble poche 18. [0028] La section serrage 24 inclut une paroi arrière 24a et une paroi inférieure 24b destinée à soutenir le coin de serrage 26 lorsqu'il est monté sur celle-ci. Un congé 24c 10 peut être formé entre la paroi arrière 24a et la paroi inférieure 24b pour procurer un dégagement pour le coin de serrage 26 lorsqu'il est monté sur celle-ci. Une partie supérieure de la paroi arrière 24a présente un dégagement 25 destiné à recevoir des plaquettes de coupe de différentes épaisseurs lorsque l'emboîtement inversé 22 est monté dans l'ensemble poche 18 du porte-outil 10. 15 [0029] Si l'on se réfère maintenant aux figures 5 à 11, l'emboîtement inversé 22 a la forme générale d'un losange comportant une surface supérieure sensiblement plane 28, une surface inférieure sensiblement plane 30 opposée à la surface supérieure 28 et quatre surfaces latérales, représentées de façon générale par les repères 32, 34, 36, 38. L'emboîtement inversé 22 inclut également une surface latérale à facettes 40 à 20 l'intersection des surfaces latérales 32, 34, une surface arrière à facettes 42 à l'intersection des surfaces latérales 34, 36 et une surface latérale à facettes 44 à l'intersection des surfaces latérales 36, 38. Dans le mode de réalisation illustré, la surface latérale à facettes 40 est opposée à la surface latérale à facettes 44. [0030] L'emboîtement inversé 22 inclut une partie nez avant 46 avec une poche 25 réceptrice de plaquette, représentée de façon générale par le repère 48, destinée à recevoir une plaquette de coupe 50 montée dans celle-ci. Dans le mode de réalisation illustré, les surfaces latérales 32, 38 de la partie nez 46 forment un angle 52 de quarante (40) degrés environ par rapport à un axe longitudinal 54 qui coupe la surface à facettes arrière 42 et la partie nez avant 46. Du fait que l'emboîtement inversé 22 présente une 30 symétrie miroir autour de l'axe longitudinal 54, les surfaces latérales 32, 34 forment un angle de cinquante (50) degrés environ par rapport à un axe qui est sensiblement perpendiculaire à l'axe longitudinal 54. On appréciera que l'invention n'est pas limitée 3050950 6 par la forme en losange de l'emboîtement inversé 22 et que l'invention peut être mise en pratique avec toute forme souhaitable, par exemple triangulaire, circulaire, etc. [0031] La poche réceptrice de plaquette 48 inclut une paire de parois latérales 56, 58 et une paroi supérieure 60 pour procurer un contact à trois points entre la plaquette de 5 coupe 50 et la poche réceptrice de plaquette 48 lorsque la plaquette de coupe 50 est montée dans celle-ci. Dans le mode de réalisation illustré, la plaquette de coupe 50 a la forme générale d'un losange, et spécifiquement, la plaquette de coupe 50 a une forme de losange à quatre-vingt (80) degrés d'un type bien connu dans la technique. Autrement dit, les deux coins opposés de la plaquette de coupe 50 forment un angle de quatre-vingt 10 (80) degrés et les deux autres coins opposés de la plaquette de coupe 50 forment un angle de cent (100) degrés. Toutefois, on appréciera que l'invention n'est pas limitée par la forme spécifique de la poche réceptrice de plaquette 48 et que la poche réceptrice de plaquette peut avoir toute forme souhaitable pour recevoir la plaquette de coupe 50. Par exemple, la poche réceptrice de plaquette 48 peut avoir une forme générale ronde pour 15 recevoir une plaquette de coupe de forme générale ronde. Dans un autre exemple, la poche réceptrice de plaquette 48 peut avoir une forme générale triangulaire pour recevoir une plaquette de coupe de forme générale triangulaire. [0032] L'emboitement inversé 22 comprend également une surface inclinée 62 s'étendant vers le bas depuis la surface supérieure 28 vers la poche réceptrice de 20 plaquette 48. La surface inclinée 62 aide à l'évacuation des copeaux lors d'une opération d'usinage. Dans un mode de réalisation, la surface inclinée 62 forme un angle 64 compris entre trente (30) degrés environ et soixante (60) degrés environ par rapport à un plan vertical 66 qui est sensiblement perpendiculaire à l'axe longitudinal 54. La surface inférieure 30 inclut un orifice d'entrée pour liquide de refroidissement 68 destiné à 25 l'introduction de liquide de refroidissement dans l'emboitement inversé 22. Un élément d'étanchéité 70, tel qu'un joint torique, peut être utilisé pour fournir un joint d'étanchéité pour l'orifice d'entrée de liquide de refroidissement 68. [0033] L'emboîtement inversé 22 comprend également un passage interne pour liquide de refroidissement 72 s'étendant à partir de l'orifice d'entrée de liquide de refroidissement 68 30 vers un collecteur 74 dans la partie nez avant 46 de l'emboîtement inversé 22. Le collecteur 74 procure une distribution uniforme du liquide de refroidissement sortant de l'emboîtement inversé 22. La surface supérieure 60 de la poche réceptrice de plaquette 48 de l'emboîtement inversé 22 inclut une ou plusieurs rainures 76 s'étendant du collecteur 74 à 3050950 7 la partie nez 46 à proximité d'une interface 75 entre la plaquette de coupe 50 et une pièce à usiner 200 (Fig. 12). Dans le mode de réalisation illustré, la surface supérieure 60 de la poche réceptrice de plaquette 48 de l'emboîtement inversé 22 comporte trois rainures 76, une rainure 76 alignée sur l'axe longitudinal 54 et deux rainures 76 sur des côtés opposés de 5 l'axe longitudinal 54. Cependant, on appréciera que l'invention n'est pas limitée par le nombre de rainures 76 formées dans la surface supérieure 30 de la poche réceptrice de plaquette 48 de l'emboîtement inversé 22 et que l'invention peut être mise en pratique avec un nombre souhaité quelconque de rainures 76 (par exemple une ou plusieurs rainures 76). [0034] Il convient de noter que la surface supérieure 50a de la plaquette de coupe 50 10 coopère avec la rainure ou plusieurs rainures 76 pour former un passage pour liquide de refroidissement fermé s'étendant du collecteur 74 à l'interface plaquette de coupe/pièce à usiner. Dans un mode de réalisation, le passage de liquide de refroidissement fermé formé par la rainure ou plusieurs rainures 76 coopérant avec la surface supérieure 50a de la plaquette de coupe 50 présente un diamètre effectif compris entre 0,152 mm (0,006 po) 15 environ et 0,254 mm (0,010 po) environ. Comme le montre la figure 10, une petite distance 77 existe entre les arêtes de coupe 51 de la plaquette de coupe 50 et les surfaces latérales 32, 38 et la partie nez 46 de l'emboîtement inversé 22. Cette faible distance 77 permet au liquide de refroidissement qui sort de l'emboîtement inversé 22 d'être dirigé vers la face inférieure du copeau 79 afin de ne pas gêner le dégagement des copeaux et 20 d'aider à l'évacuation des copeaux provenant de l'interface plaquette de coupe/pièce à usiner 75 au cours d'une opération d'usinage, comme représenté sur la figure 12. [0035] On appréciera que la plaquette de coupe 50 peut être une plaquette de coupe indexable. En tant que telle, la plaquette de coupe 50 peut être indexée dans la poche réceptrice de plaquette 48 de l'emboîtement inversé 22 de telle sorte que la 25 surface supérieure 50a devient une surface inférieure 50b qui est en contact avec le coin de serrage 26, et la surface inférieure 50b devient la surface supérieure 50a qui est en contact avec l'emboîtement inversé 22. [0036] Dans un mode de réalisation, la rainure ou plusieurs rainures 76 ont sensiblement une forme en V et la surface supérieure 50a de la plaquette de coupe 50 30 est sensiblement plane. Dans ce mode de réalisation, le canal pour liquide de refroidissement fermé formé par la surface supérieure 50a de la plaquette de coupe 50 et la rainure ou plusieurs rainures 76 a une section transversale sensiblement triangulaire. Dans un autre mode de réalisation, la rainure ou plusieurs rainures 76 ont sensiblement 3050950 8 une forme en U et la surface supérieure 50a de la plaquette de coupe 50 est sensiblement plane. Dans ce mode de réalisation, le canal pour liquide de refroidissement fermé formé par la surface supérieure 50a de la plaquette de coupe 50 et la rainure ou plusieurs rainures 76 a une section transversale sensiblement en forme de 5 D. On appréciera que l'invention n'est pas limitée par la forme de la rainure ou plusieurs rainures 76 et par le fait que la surface supérieure 50a de la plaquette de coupe 50 est sensiblement plane, et que l'invention peut être mise en pratique avec toute forme souhaitable procurant un débit suffisant de liquide de refroidissement à l'interface plaquette de coupe/pièce à usiner tant que la rainure ou plusieurs rainures 76 coopèrent 10 avec la surface supérieure 50a de la plaquette de coupe 50 pour former un passage pour liquide de refroidissement fermé s'étendant du collecteur 74 à l'interface plaquette de coupe/pièce à usiner. [0037] Dans le mode de réalisation illustré, le liquide de refroidissement distribué à l'interface plaquette de coupe/pièce à usiner comprend du dioxyde de carbone (CO2) 15 supercritique disponible dans le commerce auprès de Fusion Coolant Systems, Detroit, Michigan (www.fusioncoolant.com). Du dioxyde de carbone supercritique circule jusqu'au point d'usinage en tant que système monophasé et est libéré à haute pression, ce qui produit un effet de refroidissement puissant et assure une lubrification sèche ou une lubrification liquide améliorée. Tout lubrifiant approprié peut être ajouté au dioxyde de 20 carbone supercritique pour assurer une lubrification supplémentaire. Dans les deux modes de lubrification, sèche ou liquide améliorée, des copeaux propres et secs sont produits. L'utilisation de dioxyde de carbone supercritique présente de nombreux avantages par rapport aux systèmes qui utilisent, par exemple, de l'azote liquide. Ces avantages incluent, sans limitation, les avantages suivants : 1) l'utilisation de dioxyde de carbone 25 supercritique ne nécessite pas de recirculation ou d'élimination du liquide d'usinage ; 2) c'est un lubrifiant qui est aussi efficace qu'un liquide d'usinage semi-synthétique ; 3) c'est un excellent lubrifiant qui peut, en mode amélioré, procurer des niveaux de lubrification comparables à ceux de l'huile ; 4) il permet un refroidissement et un pouvoir lubrifiant plus importants avec une pression plus élevée, ce qui conduit à une plus grande 30 productivité ; 5) il ne provoque pas de colmatage ; et 6) il réduit les coûts d'exploitation. [0038] Comme mentionné ci-dessus, le dioxyde de carbone supercritique produit un effet de refroidissement puissant. Dans un mode de réalisation, le dioxyde de carbone supercritique est distribué à l'interface plaquette de coupe/pièce à usiner à une température 3050950 9 de -61 °C (-78 °F) et une pression comprise entre 9,997 MPa environ et 14 MPa environ (1450 psi environ et 2100 psi environ). Des résultats d'essai ont montré que l'utilisation de dioxyde de carbone supercritique offre une multitude d'avantages en matière de réduction des coûts pour un investissement inférieur à celui des liquides de coupe conventionnels. 5 De plus, l'utilisation de dioxyde de carbone supercritique favorise un environnement de travail sain parce qu'il est exempt de bactéries, élimine souvent les étapes de nettoyage post-usinage et a un impact minimal sur l'environnement. [0039] L'emboîtement inversé 22 inclut au moins un alésage fraisé 78 s'étendant de la surface supérieure 28 à la surface inférieure 30 pour permettre le passage d'une fixation 10 filetée 80. Dans le mode de réalisation illustré, l'emboîtement inversé 22 comporte deux alésages fraisés 78 sur des côtés opposés et équidistants de l'axe longitudinal 54. Il convient de noter que l'élément de fixation fileté 80 est reçu dans la ou les ouvertures filetées 23 formées dans la paroi inférieure 20c de la partie emboîtement 20 de l'ensemble poche 18 pour monter et fixer l'emboîtement inversé 22 dans celle-ci. 15 [0040] Si l'on se réfère maintenant aux figures 13 à 16, le coin de serrage 26 a une forme sensiblement polygonale comportant une surface supérieure sensiblement plane 82, une surface inférieure sensiblement plane 84 opposée à la surface supérieure 82 et une pluralité de surfaces latérales, représentées de façon générale par les repères 86, 88, 90, 92, 94. En outre, le coin de serrage 26 inclut une partie nez avant 96. 20 [0041] Dans le mode de réalisation illustré, la surface supérieure 82 a une forme de losange tronqué de telle sorte que les surfaces latérales 86, 94 de la partie nez 96 forment un angle 98 de quarante (40) degrés environ par rapport à un axe longitudinal 100 qui coupe la partie nez avant 96 et la surface latérale arrière 90 opposée à la partie nez avant 96. Ainsi, la partie nez 96 du coin de serrage 26 a la 25 même forme générale que la partie nez 46 de l'emboîtement inversé 22. De même, le coin de serrage 26 est en symétrie miroir autour de l'axe longitudinal 100. [0042] Comme le montre la figure 14, la surface supérieure 82 et la surface inférieure 84 ne sont pas parallèles mais forment un angle positif 102 compris entre cinq (5) degrés environ et quinze (15) degrés environ. Dans un mode de réalisation, 30 l'angle 102 fait dix (10) degrés environ. Le coin de serrage 26 inclut un alésage fraisé 104 s'étendant de la partie nez 96 à la surface latérale arrière 90 pour permettre le passage d'une fixation filetée 106 au travers de celui-ci. Il convient de noter que 3050950 10 l'élément de fixation fileté 106 est reçu dans une ouverture filetée 24c formée dans la paroi arrière 24a de la partie coin 24 de l'ensemble poche 18 pour monter et fixer le coin de serrage 26 dans celle-ci. En raison de l'angle positif 102 entre les surfaces supérieure et inférieure 82, 84, le coin de serrage 26 exerce une force vers le haut sur 5 la plaquette de coupe 50 de telle sorte que la plaquette de coupe 50 est solidement maintenue dans la poche réceptrice de plaquette 48 de l'emboîtement inversé 22 lorsque le coin de serrage 26 est monté dans la partie coin 24 de l'ensemble poche 18. [0043] Si l'on se réfère à nouveau aux figures 1 et 2, la plaquette de coupe 50 est solidement montée dans la poche réceptrice de plaquette 48 de l'emboîtement inversé 22 10 uniquement sous l'effet de la force dirigée vers le haut exercée par le coin de serrage 26 sur la plaquette de coupe 50. Plus précisément, la surface supérieure 82 du coin de serrage 26 est en contact avec la surface inférieure 50b de la plaquette de coupe 50 et la surface supérieure 50a de la plaquette de coupe 50 est en contact avec les surfaces latérales 56, 58 et la surface supérieure 60 de la poche réceptrice de plaquette 48 de l'emboîtement inversé 22. 15 Une fois effectué le montage dans la poche réceptrice de plaquette 48 de l'emboîtement inversé 22, le liquide de refroidissement dioxyde de carbone supercritique est dirigé vers la face inférieure du copeau 79 à l'interface plaquette de coupe/pièce à usiner 75 de manière à faciliter l'évacuation des copeaux lors d'une opération d'usinage. [0044] Les brevets et publications mentionnés ici sont incorporés par référence. 20 [0045] Des modes de réalisation actuellement préférés ayant été décrits, l'invention peut être par ailleurs réalisée dans le cadre des revendications jointes.