Brevet FR3058344A1 — publié le 20180511

FRAISE POUR PERCAGE ORBITAL Domaine technique La présente invention concerne le domaine du perçage orbital de pièces de matériaux divers et variés, au moyen d'un fraise. Elle a trait plus particulièrement à une nouvelle conception de fraise pour ce type d'usinage. Les applications industrielles concernées par l'invention, sont nombreuses. Parmi celles-ci, dans le domaine de l'aéronautique, il peut s'agir de perçages spécifiques destinés à des fixations, comme des perçages à l'emplanture d'une voilure d'un nouvel avion, dans sa liaison avec le fuselage, ou encore des perçages de profilés constituant un cadre de fuselage. Les perçages à réaliser doivent être cylindriques et/ou coniques, dans des épaisseurs importantes de matériaux et/ou dans des empilements multimatériaux, typiquement un empilement tri-couches de carbone/titane/aluminium. Art antérieur Le perçage orbital est une opération de perçage par fraisage selon laquelle le centre d'une fraise décrit une orbite autour du centre du trou à réaliser tout en tournant sur son axe propre et se déplace dans la direction axiale. L'outil mis en oeuvre pour un perçage orbital comprend tout d'abord un support de fraise destiné à être entraîné en rotation autour d'un premier axe de rotation destiné à être confondu avec l'axe du trou. Une fraise est montée rotative sur le support de fraise. L'axe central de la fraise forme un deuxième axe de rotation parallèle au premier axe de rotation et espacé de celui-ci d'une distance d'espacement non nulle. La fraise est destinée à être entraînée en rotation autour du deuxième axe de rotation par rapport au support de fraise pour percer le trou. Par rapport à un outil classique où la tête de coupe est constituée d'un forêt coaxial au trou à percer, un outil de perçage orbital permet de diminuer le couple d'entraînement en rotation de la tête de coupe et l'effort axial de pénétration de tête de coupe dans la pièce à percer. Le perçage orbital est déjà bien répandu dans le domaine aéronautique et a fourni de très bons résultats pour des trous de large diamètre dans des pièces constituées d'empilements tri-couches de type fibres de carbone/titane/aluminium. 3058344 2 Ainsi les avantages majeurs pour ce type d'usinage sont nombreux parmi lesquels l'absence de bavures, la réduction du nombre de forêts de diamètre différent, une plus grande reproductibilité, l'absence de nécessité d'un liquide de refroidissement et la diminution des efforts de coupe. 5 Des études récentes ont mis en exergue qu'il sera délicat d'obtenir les mêmes avantages pour le perçage orbital dans des pièces en aluminium que ceux obtenus dans des pièces en titane et en fibres de carbone. En particulier, comme évoqué ci-dessus, le perçage orbital connu permet d'appliquer un effort de coupe moindre mais mieux maîtrisé sur les surfaces à percer, ce 10 qui génère des contraintes résiduelles moindres que celles obtenues dans un procédé de perçage classique par forêt ou dans un procédé de fraisage connu. Or, cela est un véritable problème pour le perçage d'une pièce en aluminium dans laquelle des contraintes résiduelles vont influencer de manière importante son comportement en fatigue. 15 Il existe donc un besoin de proposer une nouvelle solution de perçage orbital, notamment afin d'augmenter les contraintes résiduelles dans les pièces percées, plus particulièrement dans celles contenant de l'aluminium. Le but de l'invention est de répondre au moins en partie à ce besoin. Exposé de l'invention 20 Pour ce faire, l'invention concerne une fraise pour perçage orbital, constituée d'un corps de révolution autour d'un axe comprenant une partie proximale formant une queue, une partie distale formant une tête de coupe comprenant au moins un étage avec des dents de coupe définissant un diamètre de perçage, et une partie lisse de jonction entre la queue et la tête de coupe, la partie lisse de jonction comprenant un renflement annulaire 25 de diamètre supérieur au diamètre de perçage, de sorte à réaliser un galetage de l'orifice percé lors de l'avancée de la fraise. Ainsi, l'invention consiste essentiellement à réaliser sur une fraise, un renflement ou autrement dit une saillie annulaire qui va permettre juste après le perçage de l'orifice par les dents de coupe de venir galeter, c'est-à-dire écraser la matière 30 périphérique bordant l'orifice, ce qui va provoquer une mise sous contrainte et un écrouissage importants de cette matière sur un diamètre supérieur à celui de l'orifice percé. 3058344 3 Avec un état écroui localement autour du trou percé, les contraintes résiduelles sont fortement augmentées. Ainsi, la fraise selon l'invention présente deux fonctions complémentaires, l'une classique de coupe pour le perçage orbital et l'autre de galetage pour induire un 5 écrouissage local autour du trou percé. Cela est particulièrement avantageux pour le perçage orbital de l'aluminium qui est écroui simultanément. De manière surprenante, bien que simple à réaliser, personne n'avait pensé jusqu'à présent à implanter sur une même pièce à la fois une fraise en tant qu'outil d'enlèvement de matière et un moyen de galetage. 10 En effet, jusqu'à présent, lorsqu'on souhaite réaliser un galetage d'un orifice, celui-ci est fait dans un alésage au moyen d'un outil dédié qui est désigné usuellement par l'appellation « brunissoir à galets ». Or, les inventeurs ont analysé que dans le cadre d'un perçage orbital, il n'était pas envisageable de mettre en oeuvre deux outils successivement, à savoir une fraise pour 15 le perçage puis un outil de galetage. En effet, avec ces deux outils successifs, le diamètre souhaité ne peut être obtenu au final et la précision baisse fortement. En outre, il est loin d'être certain d'obtenir le niveau d'écrouissage recherché. Selon un mode de réalisation avantageux, le renflement annulaire comprend 20 une portion cylindrique définissant le diamètre de renflement (Dr), prolongée du côté de la tête de coupe par un premier arc de raccordement de rayon de courbure R1, et du côté de la queue par un deuxième arc de raccordement de rayon de courbure R2. De préférence, le rayon de courbure R1 est égal au rayon de courbure R2. Avantageusement, la différence entre le diamètre de perçage (Dcl) et le 25 diamètre de renflement (Dr) est comprise entre 1 et 12 1.1.m. Avec cette gamme préférée, on peut ainsi obtenir des niveaux d'écrouissage satisfaisants dans tout type d'aluminium que l'on cherche à galeter. Selon une variante avantageuse, la tête de coupe comprend deux étages dont un premier étage présentant le plus grand diamètre qui est le diamètre de perçage nominal 30 (Dcl), prolongé d'un deuxième étage de moindre diamètre de coupe (Dc2) que le premier étage. De préférence, la différence entre le diamètre de perçage nominal (Dcl) et le moindre diamètre de coupe (Dc2) est comprise entre 1 et 6 mm. 3058344 4 De préférence encore, chaque étage de coupe comprenant un nombre de quatre dents agencées en hélice autour de l'axe X ou droites, de préférence réparties uniformément à 90° ou les unes des autres. L'hélice peut être une hélice vers la droite, d'angle compris entre -20 et 45°. 5 Avantageusement, les hélices de l'étage de diamètre de perçage et de l'étage de moindre diamètre peuvent être concentriques, avec des points de départ et d'arrivée alignés de manière par rapport à l'axe X, de sorte que les dents de coupe des deux étages sont coplanaires individuellement les unes avec les autres, parallèlement à l'axe X. Selon une caractéristique avantageuse, la fraise peut comprendre un trou 10 central traversant de part en part la fraise, le trou étant destiné à alimenter en liquide ou en gaz de lubrification la tête de coupe depuis la queue. Selon une variante avantageuse, la fraise peut comprendre, entre le renflement annulaire et la queue, une partie de coupe arrière, élargie par rapport à la tête de coupe et au renflement, la partie de coupe arrière étant adaptée pour réaliser un perçage élargi par 15 rapport à l'orifice percé au diamètre de perçage nominale de sorte à loger une tête de rivet lorsque le perçage nominal est destiné à loger la tige d'un rivet. De préférence, la partie arrière de coupe comprend un cône d'élargissement par rapport au diamètre de perçage nominal et des dents agencées sur le cône en hélice autour de l'axe X ou droites, de préférence réparties uniformément autour de l'axe X, les dents étant de préférence 20 réalisées en partie sur la partie de jonction. La fraise peut présenter un diamètre de perçage nominal (Dc, Del) compris entre 2 et 30 mm. L'invention a également pour objet l'utilisation de la fraise qui vient d'être décrite pour réaliser un perçage orbital d'un orifice. 25 Une utilisation avantageuse est celle dans laquelle la rotation de la fraise sur son axe de révolution (X) est comprise entre 50000 et 60000 tr/min tandis que la rotation de la fraise autour de l'axe orbital est comprise entre 200 et 2000 tr/min. L'utilisation peut être prévue pour le perçage orbital de pièces destinées à constituer une partie d'une structure d'avion, notamment des profilés de cadres de 30 fuselage d'avion. Les pièces à percer peuvent être en partie en aluminium, typiquement dans un empilement aluminium/carbone/titane. 3058344 5 Description détaillée D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront mieux à la lecture de la description détaillée d'exemples de mise en oeuvre de l'invention faite à titre illustratif et non limitatif en référence aux figures suivantes parmi lesquelles : 5 - la figure 1 est une vue de côté d'un premier exemple de fraise pour perçage orbital selon l'invention; - la figure 2 est une vue de côté d'un deuxième exemple de fraise pour perçage orbital selon l'invention; - la figure 3 est une vue de détail en perspective de la tête de coupe de la fraise 10 selon la figure 2. On précise ici dans l'ensemble de la présente demande, les termes « distal » et « proximal » sont utilisés par référence à la fraise dans sa configuration montée sur un outil de perçage orbital afin de percer une pièce. Ainsi, la partie distale de la fraise est constituée par la tête de coupe qui va réaliser le perçage de l'orifice. 15 La fraise selon l'invention, globalement désignée par la référence 1 est destinée à réaliser le perçage orbital d'une pièce. Dans ce type d'usinage, la rotation de la fraise 1 sur son axe de révolution (X) est avantageusement comprise entre 50000 et 60000 tr/min tandis que la rotation de la fraise 1 autour de l'axe orbital est de préférence comprise entre 200 et 2000 tr/min. 20 Dans le mode de réalisation illustré, la fraise 1 est monobloc et constituée d'un corps de révolution autour d'un axe (X). Le corps comprend tout d'abord une partie proximale formant une queue 2. Cette queue 2 est la partie de préhension de la fraise pour le montage dans le support d'outil de perçage. 25 A l'autre extrémité, la fraise 1 comprend une partie distale formant une tête de coupe 3 comprenant au moins un étage avec des dents de coupe 30 définissant un diamètre de perçage (Dc). Une partie lisse de jonction 4 est prévue entre la queue 2 et la tête de coupe 3. Selon l'invention, la partie lisse de jonction 4 comprend un renflement 30 annulaire 5 dont le diamètre Dr est supérieur au diamètre de perçage nominal Dc, de sorte à réaliser un galetage de l'orifice percé lors de l'avancée de la fraise. 3058344 6 La fraise 1 monobloc selon l'invention peut être entièrement réalisée en carbure, cermet ou encore en céramique. On peut aussi avoir une queue 2 en acier avec une tête de coupe 3 en diamant ou revêtue de diamant. Dans les exemples illustrés, le renflement annulaire 5 est constitué d'une 5 portion cylindrique 50 définissant le diamètre de renflement (Dr), prolongée du côté de la tête de coupe 3 par un premier arc de raccordement 51 de rayon de courbure R1, et du côté de la queue 2 par un deuxième arc de raccordement 52 de rayon de courbure R2. De préférence, le renflement 5 est symétrique. Ainsi, le rayon de courbure R1 est égal au rayon de courbure R2. 10 On peut prévoir de munir la fraise 1 d'un trou central 6 traversant de part en part la fraise. Ce trou 6 permet ainsi d'alimenter en liquide ou en gaz de lubrification la tête de coupe 3 depuis la queue 2. Plusieurs variantes de réalisation avantageuse de la fraise 1 selon l'invention sont montrées en figure 2. 15 Tout d'abord, la tête de coupe 3 comprenant deux étages dont un premier étage présentant le plus grand diamètre qui est le diamètre de perçage nominal Dcl, prolongé d'un deuxième étage de moindre diamètre de coupe Dc2 que le premier étage. De préférence, chaque étage de coupe comprend un nombre de quatre dents 30, 31 agencées en hélice vers la droite autour de l'axe X ou droit, de préférence réparties 20 uniformément à 90° les unes des autres ou avec une division inégale. Comme mieux visible en figure 3, les hélices de l'étage de diamètre de perçage et de l'étage de moindre diamètre sont concentriques, avec des points de départ et d'arrivée alignés de manière par rapport à l'axe X, de sorte que les dents de coupe 30, 31 des deux étages sont coplanaires individuellement les unes avec les autres, parallèlement à 25 l'axe X. Une autre variante avantageuse consiste à munir la fraise, entre le renflement annulaire 5 et la queue 2, d'une partie de coupe arrière 7, élargie par rapport à la tête de coupe 3 et au renflement 5. Cette partie de coupe arrière 7 permet ainsi de réaliser un perçage élargi par 30 rapport à l'orifice percé au diamètre de perçage nominal, de sorte à loger une tête de rivet lorsque le perçage nominal est destiné à loger la tige d'un rivet. 3058344 7 A cet effet, cette partie arrière de coupe 7 peut comprendre un cône d'élargissement par rapport au diamètre de perçage nominal et des dents 70 agencées sur le cône en hélice autour de l'axe X ou droites, de préférence réparties uniformément ou avec une division inégale autour de l'axe X. Comme illustré en figure 2, les dents 70 5 peuvent être réalisées en partie sur la partie de jonction 4. A titre d'exemple indicatif, pour réaliser un perçage orbital d'un orifice de diamètre de l'ordre de 6,35mm, les caractéristiques et dimensions de la fraise illustrée en figure 2 sont les suivantes : - Diamètre de partie de jonction 4 : 4,76 mm ± 0,005 ; 10 - Diamètre nominal de perçage Dcl : 4,844 mm; - Diamètre de coupe avant Dc2: 3,2 mm ± 0,04 ; - Dents 30, 31 de coupe : quatre dents hélicoïdales par étage avec hélice de 30° à droite ; - Diamètre de la partie cylindrique 50 du renflement: 4,85 mm + 0,001-0,006; 15 - Rayon de courbure R1 et R2 des portions arrondies 51, 52 : 0,1mm ; - Différence entre diamètre Dr du renflement 5 et diamètre de perçage nominal Dcl : 3 microns ; - Diamètre queue 2 : 4h7 - Diamètre partie élargie 7 : 10 mm 20 - Angle de cône de la partie élargie : 100° ± 0,5° ; - Dents 70 de coupe : cinq dents hélicoïdales avec fausse hélice de 10° à droite. La fraise 1 qui vient d'être décrite est particulièrement adaptée pourréaliser un perçage orbital d'un orifice dans des pièces destinées à constituer une partie d'une 25 structure d'avion, notamment des profilés de cadres de fuselage d'avion. De tels profilés peuvent être constitués par un empilement aluminium/carbone/titane. Avec le galetage de la fraise selon l'invention obtenu par le renflement annulaire 5, on peut obtenir un niveau d'écrouissage de l'aluminium tel que la résistance à 30 la fatigue de la pièce est améliorée au niveau de l'orifice percé. D'autres variantes et avantages de l'invention peuvent être réalisés sans pour autant sortir du cadre de l'invention. 3058344 8 Ainsi, si dans l'exemple illustré, la fraise est réalisée monobloc, les dents de coupe peuvent aussi bien être rapportées sur le corps de fraise par brasage ou être fixées par vissage. L'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits ; on 5 peut notamment combiner entre elles des caractéristiques des exemples illustrés au sein de variantes non illustrées. REVENDICATIONS1.Fraise (1) pour perçage orbital, constituée d'un corps de révolution autour d'un axe (X) comprenant une partie proximale formant une queue (2), une partie distale formant une tête de coupe (3) comprenant au moins un étage avec des dents de coupe définissant un diamètre de perçage (Dc), et une partie lisse de jonction (4) entre la queue et la tête de coupe, la partie lisse de jonction comprenant un renflement annulaire (5) de diamètre (Dr) supérieur au diamètre de perçage (Dc), de sorte à réaliser un galetage de l'orifice percé lors de l'avancée de la fraise. 2. Fraise (1) selon la revendication 1, le renflement annulaire (5) comprenant une portion cylindrique (50) définissant le diamètre de renflement (Dr), prolongée du côté de la tête de coupe (3) par un premier arc de raccordement (51) de rayon de courbure R1, et du côté de la queue (2) par un deuxième arc de raccordement (52) de rayon de courbure R2. 3.Fraise (1) selon la revendication 2, le rayon de courbure R1 étant égal au rayon de courbure R2. 4. Fraise (1) selon l'une des revendications précédentes, la différence entre le diamètre de perçage (Dcl) et le diamètre de renflement (Dr) étant comprise entre 1 et 12 1.1.m. 5. Fraise (1) selon l'une des revendications précédentes, la tête de coupe comprenant deux étages dont un premier étage présentant le plus grand diamètre qui est le diamètre de perçage nominal (Dcl), prolongé d'un deuxième étage de moindre diamètre de coupe (Dc2) que le premier étage. 6.Fraise (1) selon la revendication 5, la différence entre le diamètre de perçage nominal (Dcl) et le moindre diamètre de coupe (Dc2) étant comprise entre 1 et 6 mm. 7. Fraise (1) selon la revendication 5 ou 6, chaque étage de coupe comprenant un nombre de quatre dents (30, 31) agencées en hélice autour de l'axe X ou droites, de préférence réparties uniformément à 90° les unes des autres. 8. Fraise (1) selon la revendication 7, l'hélice étant une hélice vers la droite, d'angle compris entre -20 et 45°. 9. Fraise selon la revendication 7 ou 8, les hélices de l'étage de diamètre de perçage et de l'étage de moindre diamètre étant concentriques, avec des points de départ et d'arrivée alignés de manière par rapport à l'axe X, de sorte que les dents de coupe (30, 31) 3058344 10 des deux étages sont coplanaires individuellement les unes avec les autres, parallèlement à l'axe X. 10. Fraise selon l'une des revendications précédentes, comprenant un trou central (6) traversant de part en part la fraise, le trou (6) étant destiné à alimenter en 5 liquide ou en gaz de lubrification la tête de coupe depuis la queue. 11. Fraise selon l'une des revendications précédentes, comprenant entre le renflement annulaire (5) et la queue (2), une partie de coupe arrière (7), élargie par rapport à la tête de coupe (3) et au renflement (5), la partie de coupe arrière (7) étant adaptée pour réaliser un perçage élargi par rapport à l'orifice percé au diamètre de perçage nominale de 10 sorte à loger une tête de rivet lorsque le perçage nominal est destiné à loger la tige d'un rivet. 12. Fraise selon la revendication 11, la partie arrière de coupe (7) comprenant un cône d'élargissement par rapport au diamètre de perçage nominal et des dents (70) agencées sur le cône en hélice autour de l'axe X ou droites, de préférence réparties 15 uniformément autour de l'axe X, les dents (70) étant de préférence réalisées en partie sur la partie de jonction (4). 13.Fraise selon l'une des revendications précédentes, le diamètre de perçage nominal (Dc, Del) est compris entre 2 et 30 mm. 14.Utilisation de la fraise (1) selon l'une quelconque des revendications 20 précédentes pour réaliser un perçage orbital d'un orifice. 15. Utilisation de la fraise selon la revendication 14, dans laquelle la rotation de la fraise sur son axe de révolution (X) est comprise entre 50000 et 60000 tr/min tandis que la rotation de la fraise autour de l'axe orbital est comprise entre 200 et 2000 tr/min. 16. Utilisation de la fraise selon la revendication 14 ou 15, pour le perçage 25 orbital de pièces destinées à constituer une partie d'une structure d'avion, notamment des profilés de cadres de fuselage d'avion. 17. Utilisation de la fraise selon la revendication 16, les pièces à percer étant en partie en aluminium, typiquement dans un empilement aluminium/carbone/titane.