Domaine technique et état de l'art

L'invention concerne une tête d'usinage pour centre d'usinage multiaxial, tête du type comprenant un berceau susceptible d'être entraîné en rotation selon un axe par rapport à un support, et une broche porte-outil montée sur le berceau et adaptée pour entraîner un outil en rotation selon un axe de rotation de l'outil.

L'invention trouve notamment une application pour le polissage des matériaux tels que le granit, le marbre, le béton et les matériaux composites à l'aide d'un centre d'usinage à commande numérique adapté pour le travail en cinq axes continus ou positionnés. Les marchés visés par cette application sont principalement le domaine du funéraire, la décoration, le bâtiment, etc. Le polissage des matériaux tels que le granit, le marbre, le béton et les matériaux composites est réalisé aujourd'hui à l'aide d'un jeu d'outils travaillant sous un arrosage abondant (eau ou autre lubrifiant). Les outils abrasifs utilisés, à base de diamant ou de carbure de silicium synthétique, présentent une surface de polissage de granulométrie décroissante pour un polissage de plus en plus fin, et travaillent idéalement en pression pneumatique permettant d'avoir un effort constant sur le matériau à polir quel que soit le degré d'usure de l'outil. Cet effort sur le matériau à polir, appliqué perpendiculairement à la surface à polir, doit être adapté en fonction de la dureté du matériau à polir et de la granulométrie de la surface de polissage de l'outil abrasif. Une finesse de réglage de cet effort est nécessaire pour obtenir la finition requise (adouci sans trace, polissage éclatant et uniforme, etc.).

Les centres d'usinage cinq axes actuellement disponibles sur le marché sont équipés de manière connue de plateaux de maintien de la pièce à polir, plateaux mobiles en translation selon au moins deux axes, et de broches porte-outil rotatives selon les axes B et C habituels, l'ensemble permettant d'orienter et de positionner l'outil par rapport à la pièce à usiner dans toutes les directions. Ils permettent de travailler soit en cinq axes positionnés ou en cinq axes continus. Les broches porte-outil connues sont parfaitement adaptées pour les travaux d'enlèvement de matière comme la sculpture sur pierre par exemple. Par contre elles ne sont pas adaptées pour le polissage qui requiert un effort constant et parfaitement contrôlé de l'outil sur la surface à polir. Egalement, les centres d'usinage cinq axes avec tête d'usinage classique ne peuvent faire des perçages qu'avec une avance programmée. En effet, les outils utilisés pour les perçages sont réalisés en diamant industriel ; à l'usage, ils peuvent se satiner et devenir moins coupant, en fonction des paramètres de coupe choisis ou lors de perçage dans des matériaux non adaptés.

Pour pallier ces difficultés, certains fabricants ont développé des mandrins à ressort permettant d'appliquer un effort sur la surface à polir. Les principaux inconvénients de cette solution sont d'une part le prix élevé (un mandrin à ressort est nécessaire pour chaque outil abrasif) et d'autres part le manque de régularité de l'effort appliqué. En effet, la force exercée par les ressorts varie en fonction de la compression de ceux-ci. Elle décroit lors de l'usure des outils et par conséquent l'effort appliqué sur la surface à polir diminue. Cela entraîne un manque d'uniformité du polissage fortement préjudiciable. Une autre solution technique disponible sur le marché est l'obtention d'une pression dite "électrique" obtenue en contrôlant le couple délivré par les moteurs d'axe ou en contrôlant la vitesse des moteurs de broche du centre d'usinage. Cette solution permet d'obtenir des résultats acceptables (en termes d'uniformité du polissage) mais cela nécessite l'utilisation de motoréducteurs et de moteur de broche spécifiques qui peuvent engendrer des surcoûts et des risques accrus de dysfonctionnement.

Une autre solution envisageable serait l'utilisation de capteur d'effort au niveau de l'outil porté par la broche. Mais cette solution est très onéreuse et incompatible avec le prix de marché des centres de polissage. De plus cette solution est encombrante au niveau de la broche et génère un porte-à-faux supplémentaire au niveau de la broche.

L'invention propose une nouvelle tête d'usinage, particulièrement bien adaptée pour le polissage et ne présentant pas tout ou partie des inconvénients des solutions connues décrites ci-dessus.

Description de l'invention

Ainsi, l'invention propose une nouvelle tête d'usinage pour centre d'usinage multiaxial, tête d'usinage comprenant un berceau (3) susceptible d'être entraîné en rotation selon un axe (B) par rapport à un support (8), support destiné à être monté mobile par rapport à une pièce à usiner en translation selon des axes (X, Y, Z) d'un repère Cartésien et en rotation selon un axe de rotation du support (C) parallèle à l'un des axes (Z) du repère Cartésien, tête d'usinage comprenant également une broche (4) porte-outil montée sur le berceau et adaptée pour entraîner un outil en rotation selon un axe de rotation (R) de l'outil.

La tête d'usinage selon l'invention est caractérisée en ce qu'elle comprend également un moyen pour entraîner la broche (4) en translation selon un axe de translation (W) parallèle à l'axe de rotation (R) de l'outil jusqu'à appliquer l'outil sur la pièce à usiner avec une force de pression axiale régulée. La pression axiale est de préférence régulée en continu, pendant toute la durée du travail sur la pièce. Ainsi, pour des travaux de polissage ou de surfaçage notamment, il devient possible d'obtenir une surface parfaitement uniforme y compris dans le cas où l'axe de l'outil n'est pas vertical. De plus, le fait d'appliquer la pression au niveau de la broche, c'est à dire au plus près de l'outil, évite de déplacer des masses importantes pour appliquer la pression. L'usinage de matériaux tendres et fragiles devient alors possible quel que soit l'angle de travail de l'outil.

L'invention permet également de faire des perçages de bonnes qualité dans toutes les positions angulaires, ce que ne permet pas un centre d'usinage cinq axes avec une tête d'usinage classique ; associée à l'avance machine, c'est-à-dire le déplacement continu de la tête d'usinage au fur et à mesure du perçage, l'application d'une pression régulée permet dans ce cas de compenser le manque de coupant d'un outil satiné ; ceci permet de protéger à la fois l'outil des risques de cassure, de protéger l'intégrité de l'ensemble des composants mécaniques de la machine et d'éviter d'endommager la pièce travaillée.

Egalement, la course de la broche selon l'axe de translation parallèle à l'axe de rotation de l'outil permet d'augmenter la capacité de travail de l'outil selon son axe de rotation. Le moyen d'entraînement de la broche en translation comprend dans un exemple un moyen de guidage (5a, 5b) en translation de la broche (4) par rapport au berceau (3) selon l'axe de rotation (R) de l'outil, et au moins un vérin (6) agencé pour entraîner en translation la broche (4) par rapport au berceau (3) jusqu'à appliquer l'outil sur la pièce à usiner avec la force de pression axiale régulée. Ces moyens permettent d'ajuster la distance de l'outil par rapport à la pièce à travailler selon l'axe de rotation de l'outil, et d'ajuster en continu la pression exercée par l'outil sur la pièce à travailler.

Dans un mode de réalisation, le moyen de guidage comprend :

• au moins un rail de guidage linéaire, fixé sur la broche ou sur le berceau et

• au moins un patin de guidage, fixé sur le berceau ou sur la broche, le dit rail et le dit patin comprenant chacun un axe longitudinal parallèle à l'axe de rotation de l'outil, le patin étant adapté à coulisser le long du rail.

L'association patin de guidage / rail de guidage permet le déplacement en translation de la broche par rapport au berceau.

De préférence, le vérin est un vérin pneumatique ou hydraulique. La pression axiale est dans ce cas régulée à partir de mesures de débits de fluide entre les chambres du vérin. Ces mesures aisément réalisables avec précision permettent un ajustement fin et rapide de la pression axiale exercée sur la pièce à travailler.

Le moyen d'entraînement de la broche comprend également un moyen de commande agencé pour commander le vérin selon la force de pression régulée.

Selon une variante, le moyen de commande est agencé pour commander le vérin selon une force de pression régulée en fonction de l'avancement du support de la broche par rapport à la pièce à usiner. L'utilisation d'une pression régulée en continu est notamment intéressant pour des opérations de polissage qui requièrent un effort constant sur la surface à polir et parfaitement contrôlé tout au long des opérations. Ceci est également intéressant pour des opérations de perçage, en particulier pour compenser l'usure des outils et tenir compte de la résistance mécanique du matériau à percer.

Selon une variante encore, le moyen de commande est agencé pour commander le vérin :

· avec une position du vérin bloquée, par exemple côté tige ou côté fond de vérin, de manière à solidariser la broche au support, puis

• avec une force de pression régulée en fonction de l'avancement du support par rapport à la pièce à usiner.

Dit autrement, dans une première étape, le vérin est bloqué en butée de sorte que la broche est immobilisée par rapport au support. La tête d'usinage selon l'invention peut ainsi être utilisée classiquement en déplaçant le support par rapport à la pièce à usiner, pour des opérations de fraisage, de découpe, etc. Puis, dans une deuxième étape, le vérin travaille en pression, avec une force de pression régulée, pour réaliser par exemple un polissage de la surface taillée lors de l'étape précédente.

L'invention concerne également un centre d'usinage pour un travail selon plusieurs axes, centre d'usinage comprenant :

· un plateau de maintien en position d'une pièce à usiner, • un support (8) de tête d'usinage,

• un moyen (2, 7) agencé pour entraîner le support (8) en mouvements par rapport à la pièce à usiner, mouvements de translation selon des axes (X, Y, Z) d'un repère Cartésien combiné à un mouvement de rotation selon un axe de rotation du support (C) parallèle à l'un des axes (Z) du repère Cartésien,

· une tête d'usinage (1) telle que décrite ci-dessus, montée rotative (axe B) par rapport au support (8).

Brève description des figures

L'invention sera mieux comprise, et d'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lumière de la description qui suit d'exemples de réalisation d'une tête d'usinage selon l'invention. Ces exemples sont donnés à titre non limitatif. La description est à lire en relation avec les dessins annexés dans lesquels :

• la figure 1 est une vue en perspective d'une tête porte-outil selon l'invention montée sur un support,

• la figure 2 est une vue en perspective de dessus éclatée de la tête porte-outil selon l'invention.

Description d'un mode de réalisation de l'invention Comme dit précédemment, l'invention concerne une tête d'usinage 1 et un centre d'usinage comprenant une tête d'usinage selon l'invention, par exemple un centre d'usinage de type cinq axes, trois axes de translation X, Y, Z d'un repère cartésien et deux axes de rotation B et C.

Le centre d'usinage comprend notamment un plateau de maintien (non représenté) en position d'une pièce à usiner, et un support 8 de tête d'usinage. Le support 8 est de type fourche dans l'exemple représenté. Le centre d'usinage comprend également un moyen agencé pour entraîner le support 8 en mouvements par rapport à la pièce à usiner, mouvements de translation selon les axes X, Y, Z d'un repère Cartésien combiné à un mouvement de rotation selon l'axe de rotation C du support 8, axe C parallèle à l'axe Z du repère Cartésien. Dans un exemple pratique, le support 8 est fixé sur un coulant d'un centre d'usinage par l'intermédiaire de la plaque 7 ; le coulant est mobile en translation relative par rapport à la plaque selon les trois axes ; dans un exemple, la plaque est mobile en translation selon deux axes X, Y orthogonaux et horizontaux, et le coulant est mobile en translation selon un axe vertical Z ; le support est par ailleurs entraîné en rotation à l'aide d'un moyen d'entraînement 2 selon un axe C parallèle à l'axe Z.

Le centre d'usinage comprend également une tête d'usinage 1 telle que décrite ci-dessous. La tête d'usinage 1 est montée rotative par rapport au support (8), selon un axe B, dans l'exemple représenté un axe horizontal. Sur la figure 2, la tête 1 d'usinage est représentée seule, en vue de dessus éclatée. Sur la figure 1, la tête 1 d'usinage est montée rotative sur le support 8, rotative par rapport à un axe B horizontal dans l'exemple représenté

La tête d'usinage 1 selon l'invention comprend un berceau 3 et une broche 4 porte-outil. Le berceau 3 est monté rotatif sur le support 8 selon l'axe B. La broche 4 porte-outil est montée sur le berceau 3 ; la broche 4 est adaptée pour entraîner un outil (non représenté sur les figures) en rotation selon un axe de rotation R de l'outil ; dans un exemple, l'outil est un outil de polissage.

Selon l'invention, la tête d'usinage comprend également un moyen pour entraîner la broche 4 en translation par rapport au berceau 3, translation selon un axe de translation W de la broche parallèle à l'axe de rotation R de l'outil, jusqu'à appliquer l'outil sur la pièce à usiner avec une force de pression axiale régulée. Le moyen d'entraînement de la broche en translation comprend un moyen de guidage 5a, 5b en translation de la broche 4 par rapport au berceau 3 selon l'axe de rotation R de l'outil, et un au moins un vérin 6 (deux vérin dans l'exemple représenté) à fluide tels que des vérins hydraulique ou pneumatique.

Dans l'exemple représenté figure 2, le moyen de guidage linéaire comprend :

· deux rails 5a de guidage linéaire, fixés sur la broche 4 et

• quatre patins 5b de guidage, fixés sur le berceau 3

Les rails 5a et les patins 5b comprennent chacun un axe longitudinal parallèle à l'axe de rotation R de l'outil, et chaque patin est adapté à coulisser le long d'un rail associé.

A noter que la course des vérins peut être relativement faible, de l'ordre de 20 à 40 mm par exemple ; en effet, le déplacement de la broche selon l'axe W sert simplement à mettre en pression l'outil sur la surface à travailler , l'approche de la broche au regard de la pièce étant réalisée par ailleurs en déplaçant le support 8 selon les axes habituels X, Y, Z, B et C.

Les vérins 6 comprennent de manière classique un piston coulissant dans un cylindre rempli de fluide ; par exemple, une extrémité du cylindre est fixée sur le berceau et une extrémité du piston est fixée sur la broche ; un dispositif de commande (non représenté) mesure en continu la pression de fluide à l'intérieur du cylindre et régule la course du piston en fonction d'une pression axiale souhaitée de l'outil sur la pièce à travailler. L'ensemble permet ainsi d'entraîner en translation la broche 4 par rapport au berceau 3 jusqu'à appliquer l'outil sur la pièce à usiner avec la force de pression régulée. Ce système de guidage linéaire inséré entre la broche 4 et le berceau 3 permet à la broche de disposer d'un degré de liberté supplémentaire (un sixième axe en quelque sorte) toujours orienté parallèle à l'axe de rotation de l'outil, c'est-à-dire toujours perpendiculaire à la surface à travailler .

Le dispositif de commande permet d'entraîner en avant ou en arrière la broche 4 par rapport au berceau 3 (donc d'approcher ou d'éloigner l'outil de la surface de la pièce à usiner) ; le dispositif de commande permet également d'une part d'appliquer sur la surface à usiner une pression prédéfinie en fonction par exemple de la granulométrie de l'outil et d'autre part de maintenir la dite pression prédéfinie constante sur la surface à usiner quelle que soit l'orientation de la broche dans l'espace, l'avancement de l'usinage, l'usure de l'outil, Le dispositif de commande permet également d'immobiliser la broche 4 par rapport au berceau 3 ; pour cela, le dispositif de commande régule la pression axiale de sorte à maintenir le vérin en butée, soit côté tige soit côté fond de vérin.

Les essais réalisés ont montré que l'invention permet d'obtenir, notamment pour des opérations de polissage, niveau de finition requis y compris sur des matériaux particulièrement durs comme le granit ou plus tendre tels le marbre, le béton, etc., et ce quel que soit l'inclinaison de l'axe de rotation R de l'outil.