Brevet FR3096913A1 — publié le 20201211

Description Titre de l'invention : Tête d'usinage comportant un mécanisme de transmission de rotation, définissant un axe de coupe parallèle à un axe d'entraînement Domaine technique 100011 La présente invention concerne le domaine de l'usinage, en particulier de l'usinage de pièces dont la géométrie contraint fortement l'accès aux parties à usiner. Elle concerne plus particulièrement une tête mécanique dédiée à la mise en oeuvre d'un tel usinage. 100021 La tête d'usinage selon l'invention est destinée à s'interfacer avec toute machine existante et donc à être montée sur une broche ou une électro-broche en bout de bras de robot, sur une machine-outil à commande numérique ou sur une unité portative de perçage qui peut être déplacée et utilisée manuellement par un opérateur. 100031 L'invention vise notamment à améliorer les opérations de perçage de pièces dont les parties à percer sont difficiles d'accès. En effet, les solutions existantes ne donnent pas entière satisfaction, notamment en termes d'état de surface, de géométrie des trous usinés et de respect des tolérances. 100041 Les applications industrielles concernées par l'invention sont nombreuses. Parmi celles-ci, dans le domaine automobile, la tête selon l'invention peut servir à usiner un étrier de freins monobloc, dont la partie intérieure est difficile d'accès. [0005] Bien que l'invention soit décrite en référence à cette application, elle peut être mise en oeuvre dans tout domaine où un usinage d'au moins une partie d'une pièce d'accès difficile est nécessaire. Technique antérieure [0006] Un dispositif de freinage de véhicule automobile comporte classiquement un étrier de frein, dont le rôle est. de permettre aux plaquettes de freinage de faire pression sur le disque de frein. Ce sont donc des pièces essentielles qui assurent la solidité et la rigidité du dispositif de freinage. [0007] Comme visible en figure 1, le dispositif de freinage 1 comprend un étrier 2 qui est installé en périphérie d'un disque de freinage 6. Des canaux intérieurs 3 à l'étrier permettent la circulation du liquide de freinage. Les pistons 4, agencés de part et d'autre du disque 6, contrôlent la position des plaquettes 5. Lorsque ces dernières sont plaquées contre le disque 6, les frottements engendrés freinent la rotation du disque de freinage. [0008] Les dispositifs de freinage haut de gamme conçus pour permettre un freinage fort comportent généralement des étriers de frein de géométries complexes. 2 [0009] Un exemple d'un tel étrier de frein 2 est illustré en figure 2. [0010] De manière classique, ces étriers sont réalisés en deux parties 2a, 2b assemblées par des vis 7. [0011] Or, dans le but d'améliorer la rigidité et la résistance des étriers et de diminuer leur niasse, il est envisagé de réaliser les étriers de frein sous une forme monobloc. [0012] Alors que toutes les faces d'un étrier réalisé en deux parties sont aisément accessibles avant que les deux parties ne soient assemblées, les contraintes géométriques d'un étrier de frein monobloc sont telles que l'intérieur de l'étrier est difficile d'accès pour un outil d'usinage. [0013] Il est connu d'utiliser des solutions de renvoi d'angle pour usiner des trous excentrés. Comme illustré en figure 3, un renvoi d'angle 8 est un mécanisme qui permet de changer l'axe de rotation entre deux éléments d'une même machine. [0014] Un renvoi d'angle comporte essentiellement deux arbres 9 d'orientations différentes, en général orthogonaux entre eux. Les axes des arbres peuvent être ou non concourants. [0015] Un ces arbres 9 comprend une denture 10 qui engrène avec une denture 10 de l'autre arbre. Différentes configurations de denture sont possibles : elles peuvent notamment être droites, hélicoïdales, hypoïdes, ou encore de type vis sans fin. [0016] Ainsi, un renvoi d'angle permet par exemple de passer d'un système de rotation lon- gitudinal à un système de rotation transversal, et ce sur une même machine. [0017] Ce type de solution est largement utilisé sur les chaînes industrielles de production, par exemple sur les plateformes de levage, les chaînes de manutention ou en complément des outils de fraisage. [0018] Cependant, les inventeurs ont analysé que les solutions de renvoi d'angle connues comportent plusieurs inconvénients majeurs. [0019] D'une part, la précision géométrique des trous obtenus n'est pas satisfaisante : on constate un effet d'«ovalisation », c'est-à-dire que les trous obtenus ont tendance à adopter une section ovale au lieu de la section circulaire recherchée. Cette ovalisation est en partie due au jeu du doigt d'indexage des têtes à renvoie d'angle lors de changements automatiques. [0020] D'autre part, les outils de perçage souffrent d'une usure rapide : dans l'application principale visée par les inventeurs, il a été constaté que des vibrations liées à une usure accélérée de l'outil de coupe apparaissent après seulement quatre usinages. [0021] De plus, il a été constaté que la température de l'outil de coupe atteint rapidement 80°C. Enfin, les pièces qui constituent le renvoi d'angle s'usent également rapidement, notamment en raison d'un échauffement important. [0022] Les inventeurs pensent que ces inconvénients sont essentiellement causés par des phénomènes vibratoires directement liés à la conception des dispositifs classiques de 3 renvoi d'angle. [0023] Or, l'art antérieur ne fournit pas de solutions concrètes pour éliminer ces vibrations, même des travaux d'étude ont été réalisés sur l'identification de ces vibrations ainsi que sur des modélisations mathématiques de configurations simples d'engrenages : voir références [1, 2, 3]. [0024] Dans une solution classique de renvoi d'angle, l'axe de l'outil de coupe et l'axe de la broche sont orthogonaux et définissent un plan. Les inventeurs pensent que la rotation de cc plan autour de l'axe de la broche est à l'origine de l'ovalisation des trous. [0025] Cette déviation du plan peut être en lien avec les vibrations. Elle peut également être liée à un mauvais repositionnement de la tête après un changement automatique, ce qui entraîne un écart de positionnement de l'outil par rapport à sa position attendue, c'est-à-dire en position perpendiculaire à la surface du trou. [0026] Tl existe donc un besoin pour améliorer les procédés d'usinage existants, en vue de réaliser des usinages dans des pièces monoblocs à accès difficile, notamment afin de pallier les inconvénients des mécanismes de renvoi d'angle connus. [0027] Le but de l'invention est de répondre au moins en partie à ce besoin. Exposé de l'invention [0028] Pour ce faire, l'invention concerne une tête d'usinage comprenant : [0029] - une prise d'accouplement configurée pour être accouplée à une broche ou à une électro-broche portée par une machine-outil, un bras de robot ou une unité de perçage portative, la prise d'accouplement comportant un arbre d'entrée d'axe de rotation Z configure pour être accouplé à un axe de sortie de la broche ou de l'électro-broche ; [0030] - un corps rigide relié à la prise d'accouplement et allongé selon un axe X orthogonal à l'axe Z; [0031] - un mécanisme de transmission de rotation agencé dans le corps rigide et reliant l'arbre d'entrée de la prise d'accouplement d'axe Z à un arbre de sortie de la tête d'usinage d'axe Z1 parallèle à l'axe Z, l'arbre de sortie de la tête d'usinage étant configure pour supporter à son extrémité libre un outil de coupe destiné à être entraîné en rotation par la broche ou l'électro-broche. [0032] Ainsi, l'invention consiste essentiellement à proposer une tête d'usinage avec un alignement entre l'axe de la broche à laquelle elle est accouplée et l'axe de l'outil de coupe qu'elle supporte, avec les axes distincts et parallèles. [0033] Autrement dit, grâce à l'invention, l'axe de l'outil de coupe est décalé par rapport à l'axe de la broche tout en étant parallèle à celui-ci. [0034] On évite ainsi les inconvénients liés à une configuration orthogonale des axes de la broche et de l'outil de coupe. [0035] En particulier, avec une tête d'usinage selon l'invention, le diamètre du trou usiné ne risque pas d'être ovalisé. Les axes de la broche et de l'outil de coupe étant parallèles, on évite toute rotation du plan formé par les axes orthogonaux de la broche et de l'outil de coupe autour de l'axe de la broche, qui est à l'origine de l'ovalisation des trous. [0036] De plus, toute incertitude sur le positionnement de la broche après un changement d'outil n'aura d'influence que sur la position de l'alésage sur la pièce à usiner, et non sur l'orientation de l'outil de coupe par rapport à la pièce à usiner et donc sur la qualité de l'usinage du trou. [0037] De manière avantageuse, la tête d'usinage selon l'invention permet d'effectuer des usinages dans des configurations qui, avec les dispositifs connus, sont particulièrement difficiles d'accès, et ce sans compromettre la qualité de l'usinage. [0038] Cela ouvre de nouvelles possibilités aux concepteurs de pièces à usiner, dont la géométrie est souvent limitée par les contraintes d'usinage. [0039] La conception de la tête d'usinage selon l'invention permet avantageusement d'obtenir une transmission qui soit rigide et compacte, ainsi qu'un alésage de haute précision et une longue durée de vie des outils de coupe. [0040] La tête d'usinage selon r invention ne nécessite en outre pas de raccord rotatif pour le refroidissement : le refroidissement peut en effet être extérieur à la tête d'usinage. [0041] Selon un mode de réalisation avantageux, le corps rigide est étanche à l'air. Cela permet de diminuer les pertes d'énergie par ventilation, c'est-à-dire les pertes ducs à la mise en mouvement de l'air à proximité des engrenages des renvois d'angle. [0042] De manière avantageuse, la prise d'accouplement est compatible avec le standard HSK ou autres attachement ISO et BT, qui permet le changement automatique d'outils montés sur une broche ou une électro-broche. [0043] Dans un mode de réalisation particulier, le mécanisme de transmission de rotation comporte un arbre intermédiaire d'axe X agencé dans le corps rigide, un premier renvoi d'angle reliant l'arbre d'entrée de la prise d'accouplement d'axe Z à l'arbre intermédiaire et un deuxième renvoi d'angle reliant l'arbre intermédiaire à l'arbre de sortie de la tête d'usinage. [0044] Dans un mode de réalisation alternatif, le mécanisme de transmission de rotation comporte une pluralité d'engrenages d'axes de rotation parallèles à l'axe Z en engrènement successif les uns avec les autres, l'un des engrenages étant agencé sur l'arbre d'entrée de la prise d'accouplement et un autre des engrenages étant agencé sur l'arbre de sortie de la tête d'usinage. [0045] L'invention a également pour objet, un procédé d'usinage d'une pièce monobloc à accès difficile, comprenant le fonctionnement d'au moins un cycle d'usinage de la tête telle que décrite précédemment. Brève description des dessins 100461 Ifie.11 La figure 1 est une vue schématique en coupe transversale d'un étrier de frein selon l'état de l'art. [0047] [fig.2] La figure 2 illustre des étriers de freins selon l'état de l'art. [0048] [fig.3] La figure 3 représente schématiquement un mécanisme de renvoi d'angle connu. [0049] [fig.4] La figure 4 est une vue en perspective d'une tête d'usinage selon l'invention. [0050] [fig.5] La figure 5 est une vue d'une tête d'usinage selon l'invention. [0051] [fig.6] La figure 6 représente une vue en coupe d'une tête d'usinage selon l' invention. [0052] [fig.7] La figure 7 représente de manière schématique la direction d'avance d'un outil de coupe dont l'axe de coupe est orthogonal à l'axe de la broche. [0053] [fig.8] La figure 8 représente de manière schématique la direction d'avance d'un outil de coupe dont l'axe de coupe est parallèle à l'axe de la broche conformément à l' invention. Description détaillée [0054] Dans la description qui va suivre ainsi que dans l'ensemble de la demande, les termes « avant » et « arrière » sont à comprendre en référence à l'agencement de la tête d'usinage par rapport à un bras de robot, une unité de perçage portative ou une machine-outil sur lequel la tête d'usinage selon l'invention est montée, et donc par rapport à la pièce à percer. [0055] Ainsi, l'extrémité avant de la tête selon l'invention est l'extrémité la plus proche de l'outil de coupe et donc de la pièce à percer tandis que l'extrémité arrière est plus proche du bras de robot, de la machine-outil ou de l'unité de perçage portative. [0056] Les termes « avance » et « recul » sont donc à considérer par rapport aux termes avant et arrière précités. [0057] Les figures 1 à 3 ont déjà été décrites en préambule et ne seront donc pas commentées ci-après. [0058] On a illustré en figure 4 une tête d'usinage 20 selon l'invention. La tête 20 est montée sur une broche 30. La broche 30 peut notamment être une broche de machine à commande numérique, mais elle peut aussi être agencée sur une unité de perçage portative ou sur un bras de robot. Un outil de coupe 40 est monté sur la face avant de la tête 20. [0059] A titre d'exemple, la tête d'usinage est configurée de manière à ce que l'outil de coupe puisse être mis en rotation à une vitesse allant jusqu'à 5000 tours par minute. [0060] La tête d'usinage comprend sur sa face arrière une mise d'accouplement 21 configurée pour accoupler la tête à une broche ou à une électro-broche, et un corps rigide 24 et allongé dans une direction d'axe X orthogonal à l'axe de rotation Z de la 6 broche ou de l'électro-broche. [0061] La prise 21 comporte un arbre d'entrée 26 configure pour être relié à l'arbre de sortie de la broche ou de l'électro-broche. [0062] Le corps rigide 24 est creux et loge un mécanisme de transmission de rotation 25. Cc mécanisme peut par exemple comporter deux mécanismes de renvoi d'angle 22, 23 et un arbre intermédiaire 29. [0063] Dans cc cas, le renvoi d'angle 22 relie l'arbre d'entrée 26 à une extrémité d'un arbre intermédiaire 29 qui s'étend dans la direction X. [0064] A l'autre extrémité dc l'arbre 29 se trouve le renvoi d'angle 23, qui relie l'arbre inter- médiaire 29 à un arbre de sortie 27 d'axe Z1, parallèle à l'axe Z. [0065] L'arbre de sortie 27 est configure pour supporter l'outil de coupe 40. [0066] La tête 20 permet ainsi à un outil de coupe 40 d'accéder à des endroits difficiles d'accès, grâce au décalage entre les axes Z et Zl. [0067] Les solutions connues qui résolvent cette problématique mettent en oeuvre des dis- positifs de renvoi d'angle dans lesquels l'axe de la broche Z et l'axe de l'outil de coupe Z1 sont orthogonaux. [0068] Or, grâce à l'invention, les axes Z et Z1 sont parallèles. On évite ainsi les vibrations ducs à la rotation du plan formé par les axes orthogonaux de l'outil de coupe et de la broche autour de l'axe de la broche, qui est à l'origine d'une perte de qualité de l'usinage caractérisée par une ovalisation des trous obtenus. [0069] De manière avantageuse, la conception de la tête 20 autorise une transmission rigide et compacte. [0070] La figure 5 illustre une tête 20 selon l'invention, montée sur une broche 30 et comportant un outil de coupe 40. [0071] La figure 6 est une vue en coupe d'une tête d'usinage 20 selon l'invention, dans laquelle le mécanisme de transmission de rotation 25 est constitué par six engrenages 28 en engrènement successif. L'un des engrenages est agencé sur l'arbre d'entrée d'axe Z, un autre des engrenages est agencé sur l'arbre de sortie d'axe Z1 : la mise en série des engrenages 28 permet de transmettre la rotation de l'arbre d'entrée à l'arbre de sortie. [0072] On note que, par opposition à un dispositif selon l'état de l'art dans lequel l'axe de la broche et l'axe de l'outil de coupe sont orthogonaux, c'est une avance parallèle à l'axe de la broche qui pousse l'outil de coupe dans la direction de coupe. En effet, dans un dispositif selon l'état de l'art, c'est une avance perpendiculaire à l'axe de la broche qui réalise cette fonction. Cela est illustré de manière schématique par les figures 7 et 8, qui représentent la direction d'avance de la broche par rapport à l'axe de la broche respectivement dans un dispositif selon l'état de l'art et selon l'invention. [0073] D'autres variantes et améliorations peuvent être prévues sans pour autant sortir du 7 cache de l'invention. Liste des documents cités [0074] [11 Mohamed Nizar Bettaieb, « Modélisation du comportement mécanique d'engrenages : couplages entre engrènements et éléments de structures flexibles », mémoire de thèse, 2006 [0075] [21 Emmanuel Rigaud, Jean Sabot, Joël Perret-Liaudet. « Approche globale pour l'analyse de la réponse vibratoire d'une transmission par engrenages », 2000, Hermes Science Publications, pp.315-330, 2000 [0076] [31 Mohamed El Badaoui, « Contribution au diagnostic vibratoire des réducteurs complexes à engrenages par l'analyse spectrale », mémoire de thèse, 1999 8 REVENDICATIONS[Revendication I] Tête d'usinage (20) comprenant : - une prise d'accouplement (21), configurée pour être accouplée à une broche ou à une électro-broche (30) portée par une machine-outil, un bras de robot ou une unité de perçage portative, la prise d'accouplement comportant un arbre d'entrée (26) d'axe de rotation Z, configure pour être accouplé à un axe de sortie de la broche ou de l'électro-broche ; - un corps (24) rigide, relié à la prise d'accouplement et allongé selon un axe X orthogonal à l'axe Z; un mécanisme de transmission de rotation (25) agencé dans le corps rigide et reliant l'arbre d'entrée (26) de la mise d'accouplement d'axe Z à un arbre de sortie (27) de la tête d'usinage d'axe Z1 parallèle à l'axe Z, l'arbre de sortie de la tête d'usinage étant configuré pour supporter à son extrémité libre un outil de coupe (40) destiné à être entraîné en rotation par la broche ou l'électro-broche. [Revendication 2] Tête d'usinage selon la revendication 1, le corps rigide étant étanche à l'air. [Revendication 3] Tête d'usinage selon l'une des revendications 1 ou 2, la prise d'accouplement étant configurée pour être conforme au standard HSK ou tout autre type d'attachement. [Revendication 4] Tête d'usinage selon l'une des revendications précédentes, le mécanisme de transmission de rotation (25) comportant un arbre intermédiaire (29) d'axe X, agencé dans le corps rigide (24), un premier renvoi d'angle (22) reliant l'arbre d'entrée (26) de la prise d'accouplement d'axe Z à l'arbre intermédiaire et un deuxième renvoi d'angle (23) reliant l'arbre intermédiaire à l'arbre de sortie (27) de la tête d'usinage. [Revendication 5] Tête d'usinage selon l'une des revendications 1 à 3, le mécanisme de transmission de rotation de rotation (25) comportant une pluralité d'engrenages (28) d'axes de rotation parallèles à l'axe Z en engrènement successif les uns avec les autres, l'un des engrenages étant agencé sur l'arbre d'entrée (26) de la prise d'accouplement et un autre des engrenages étant agencé sur l'arbre de sortie (27) de la tête 9 d'usinage. [Revendication 6] Procédé d'usinage d'une pièce monobloc à accès difficile, comprenant le fonctionnement d'au moins un cycle d'usinage de la tête selon l'une des revendications précédentes.