PAS DE REVOLUTION

La présente invention est relative à un procédé pour l'usinage au tour de pièces comportant une surface qui n'est pas de révolution.

L'origine de 1'invention se trouve dans un problème d'usinage d'une pièce de la tête de lecture d'un appareil d'enregistrement ou de lecture de bandes magnétiques simples ou à pistes diagonales, à savoir un tambour fixe dénommé "tambour inférieur", mais l'invention peut trouver de nombreuses autres applications, comme on le comprendra dans la suite.

Le tambour inférieur d'une tête de lecture qui sert à guider la bande support en face d'un tambour supérieur rotatif portant les têtes de lecture, comporte une surface fonctionnelle qui a la forme d'une hélice communément appelée "lead", dont la distance à un plan fixe quelconque de référence perpendiculaire à l'axe varie linéairement en fonction de l'angle au centre, et une surface de raccordement qui relie les deux extrémités de la surface fonctionnelle. Ces deux surfaces s'étendent chacune sur environ 180° autour du centre.

L'usinage de ce tambour se fait usuellement au tour: on monte une ébauche sur un mandrin de tour, et on fait tourner celui-ci pendant qu'on déplace alternativement un outil de coupe parallèlement à 1'axe suivant une loi de vitesses synchronisée avec la rotation du tour.

Pendant l'usinage de la surface fonctionnelle, la forme de l'hélice a pour conséquence que l'outil de coupe se déplace à vitesse constante, en se rapprochant ou s'éloignant, selon le cas du plan fixe de référence. La forme de la surface de compensation n'est pas imposée par des considérations relatives au fonctionnement de la tête de lecture VHS. On conçoit cependant que, pour éviter des secousses pendant l'usinage, il est bon qu'il n'y ait pas de variations brusques de la vitesse de déplacement de 1'outil.

Le diagramme des déplacements de 1'outil par

rapport au plan fixe de référence, en fonction du temps, ou, ce qui revient au même dans la pratique, en fonction de l'angle au sommet, comprend en conséquence une partie rectiligne, inclinée sur l'horizontale qui correspond à la surface fonctionnelle et qui s'étend par conséquent sur à peu près un demi-tour, et une partie en S, formée, dans le détail, d'une succession de larges arrondis, et, éventuellement, de portions rectilignes, tous tangents les uns aux autres en leurs points de raccordement respectifs, les extrémités de cette partie en S étant tangentes aux extrémités de la portion rectiligne correspondant à la surface fonctionnelle.

Un mode opératoire courant consiste à actionner l'outil de coupe à l'aide d'une came, qui tourne à la même vitesse que le mandrin. Un galet suiveur, porté par le support de l'outil, est pressé par un -essort contre la came.

On a constaté que ce système ne permet pas des usinages satisfaisants à grande vitesse, car il apparaît des vibrations inacceptables dès qu'on dépasse une certaine vitesse angulaire, et cela limite les cadences de fabrication.

Les études qui sont à l'origine de la présente invention ont montré que les vibrations étaient dues à des décollements du galet qui s'écarte par instants de la came aux grandes vitesses de rotation. Une augmentation de la force de ressort qui applique le galet contre la came n'est guère possible, car elle entraîne une détérioration plus rapide des surfaces en contact, ainsi qu'une augmentation des efforts dans la machine, ce qui nuit également à la précision. Les systèmes sans came connus ont également une précision moins grande à de telles vitesses.

Des problèmes tout à fait analogues peuvent se poser dans le cas d'usinage de pièces comportant d'autres surfaces qui ne sont pas de révolution, par exemple une surface cylindrique à section non circulaire. Dans ce cas.

1'outil de coupe se déplace non plus parallèlement à l'axe, mais perpendiculairement à celui-ci.

La présente invention a pour but de fournir un procédé d'usinage qui permette des vitesses et des cadences d'usinage nettement améliorées par comparaison avec celles qui sont actuellement obtenues.

Pour atteindre ce résultat, l'invention fournit un procédé d'usinage d'une pièce présentant une surface qui n'est pas de révolution et se compose d'une première partie, dont les extrémités sont à des distances différentes d'un 'plan fixe de référence perpendiculaire à un axe, ou d'un axe fixe, et une seconde partie, ou partie de raccordement, qui relie entre elles les extrémités de la première partie en étant tangente auxdites extrémités, ce procédé comportant les étapes de :

- monter une chambre sur un support rotatif tel qu'un mandrin de tour et l'entraîner en rotation sur ledit axe, et

- attaquer l'ébauche avec un outil de coupe, en déplaçant celui-ci parallèlement et/ou perpendiculairement à l'axe, pour engendrer ladite section droite, cet outil se déplaçant radialement selon une première loi de vitesses pour engendrer la première partie de la section droite, et une seconde loi de vitesses pour engendrer la seconde partie de la section droite, et cette seconde loi de vitesses prévoyant que, aux extrémités de la seconde partie, la vitesse axiale et/ou la vitesse radiale est égale à la vitesse axiale et/ou la vitesse radiale observée aux extrémitiés adjacentes de la première partie, et que, dans la partie centrale, ladite vitesse axiale et/ou radiale est de sens opposé à la vitesse axiale et/ou radiale moyenne correspondant à la première partie afin de compenser la différence de distance desdites extrémités de la première partie au plan de référence ou à l'axe, ce procédé présentant pour particularité que la loi de vitesses utilisée pour engendrer la seconde partie

est constituée essentiellement de sections successives, chacune d'elles montrant une accélération constante, les accélérations étant de sens opposés dans deux sections successives. Suivant une modalité simple, la loi de vitesses utilisée pour constituer la seconde partie est constituée essentiellement de deux desdites sections successives.

Suivant une autre modalité, la loi de vitesses utilisée pour constituer la seconde partie comprend deux desdites sections successives dont une au moins est séparée de la première partie par une section complémentaire montrant une accélération constante et de sens opposé à celle de la section adjacente, cette section complémentaire ayant une extension angulaire nettement inférieure à celle de la section adjacente.

De préférence, il n'y a essentiellement pas de transition entre les sections, ni entre chaque section adjacente à la première partie de la section droite et la loi de vitesses correspondant à cette partie. Suivant un mode de réalisation préféré, le déplacement axial de l'outil de coupe est commandé par une came tournant en synchronisme avec le support rotatif, et sur laquelle un galet solidaire de l'outil de coupe est poussé par un ressort, et l'accélération, dans une section où elle engendre une force qui se soustrait de celle du ressort, est déterminée de façon à ce que l'outil atteigne la vitesse maximale admissible dans les conditions opératoires, et l'accélération dans l'autre section est déterminée par les contraintes de raccordement à la première partie.

La présente invention a également pour objet une forme de surface de raccordement d'une pièce usinée au tour, et destinée à relier les extrémités d'une surface fonctionnelle, ces extrémités étant à des distances différentes d'une surface de référence. Cette surface de raccordement doit pouvoir être usinée sur un tour à cames ou à commande numérique, plus rapidement que les surfaces

de raccordement connues, sans que son usinage donne lieu à plus de vibrations ou d'erreurs de précision que dans le cas de l'usinage des surfaces connues.

Selon l'invention, une telle surface de raccordement est caractérisée par une génératrice dont la distance à une surface de référence varie selon une loi se composant d'au moins deux parties sensiblement paraboliques, lorsque cette génératrice se déplace.

L'invention et ses avantages vont maintenant être exposés de façon plus précise à l'aide d'un exemple pratique, illustré avec les dessins parmi lesquels :

Figure 1 est un diagramme en fonction du temps des positions, vitesses et accélérations de l'outil pendant une fraction de tour de 1'ébauche, en traits pleins selon l'invention, en tirets selon l'art antérieur.

Figure 2 est un diagramme analogue, montrant une variante de l'invention.

Figure 3 est un schéma, en perspective, du montage. Les figures 4 et 5 sont des vues en perspective de surfaces de raccordement conformes à l'invention.

Sur la figure 1, les courbes A et A' montrent la distance de l'outil à un plan fixe de référence à l'axe respectivement selon l'invention et selon un exemple de 1'art antérieur. Les courbes B et B' , les vitesses de l'outil dans le sens axial ou radial et les courbes C et C, les accélérations axiales ou radiales auxquelles l'outil est soumis. L'origine des temps est arbitraire, de même que les échelles. On comprendra que le temps peut être mesuré en unités d'angle, si l'ébauche tourne à vitesse constante, et que les conditions initiales se répètent après 360°. Les courbes B, B' et C, C représentent les dérivées première et seconde respectives, au sens mathématique du terme, de la variation représentée aux

courbes A et A' .

La courbe A' (art antérieur) comprend une partie 1 rectiligne descendante (elle serait ascendante si l'ébauche tournait en sens inverse), qui s'étend sur à peu près un demi-tour et qui correspond à la surface fonctionnelle.

Le reste de la courbe A', qui correspond à la partie de raccordement, comprend un tronçon arrondi 2, à concavité vers le haut, qui se raccorde tangentiellement en 3 à l'extrémité inférieure de la partie 1, un tronçon rectiligne ascendant 4, de pente plus forte, en valeur absolue, que la partie 1, et raccordé tangentiellement en 5 au tronçon 2, et un tronçon arrondi 6, à concavité vers le bas, qui se raccorde tangentiellement en 7 au tronçon 5 et en 8 à l'extrémité supérieure de la partie 1.

La courbe B' , qui donne les pentes des tangentes â la courbe A', comprend une partie horizontale 11, située au-dessous de l'axe des vitesses nulles, qui correspond à la partie rectiligne 1 de la courbe A' , un tronçon ascendant 12, situé au-dessus de l'axe des vitesses nulles, un palier 14 et un tronçon descendant 16 qui correspondent respectivement aux tronçons 2, 4 et 6 de la courbe A' . Les points de raccordement 13, 15, 17 et 18 correspondent aux points 3, 5, 7 et 8 de la courbe A' . La courbe C donne à son tour les pentes des tangentes à la courbe B' .

Elle comprend une partie 21, confondue avec l'axe des accélérations nulles, un pic 22, un palier 34 également confondu avec l'axe des accélérations nulles, et un creux 26, qui correspondent aux tronçons 12, 14 et

16 et se rattachent aux points 23, 25, 27 et 28, qui correspondent aux points 13, 15, 17 et 18 de la courbe B'.

Si on considère maintenant les courbes A, B, C qui correspondent à l'invention, on retrouve, bien entendu, les parties 1, 11, 21 qui sont imposées puisqu'il s'agit de la loi fonctionnelle et sont extérieures à l'objet de l'invention. Les différences apparaissent en

considérant les parties qui correspondent à la surface de raccordement, et plus spécialement, en comparant les courbes C et C' .

La courbe C, en effet, présente deux paliers horizontaux 121, 122 qui sont reliés entre eux par une ligne verticale 123, et aux extrémités 23 et 28 de la partie 21 par d'autres lignes de raccordement verticales 124, 125. La distance Dl du premier palier 121 à l'axe des accélérations nulles est inférieure à la distance Ml au même axe du sommet du pic 22 voisin, et la distance D2 du second palier '122 à l'axe des accélérations nulles est de même inférieur à la distance M2 au même axe du sommet du creux 26. On peut cependant prévoir que les distances Dl et D2 sont, l'une et/ou l'autre, égales respectivement aux distances Ml et M2.

Cela signifie, en termes pratiques, que l'outil subit, pendant la durée de palier 121, une accélération constante proportionnelle à Dl et donc inférieure ou égale au maximum Ml qu'il subit dans l'art antérieur. De même, l'outil subit, pendant la durée du palier 122, une accélération constante, de sens inverse, proportionnelle à D2, et inférieure ou égale en valeurs absolues au maximum M2.

On expliquera plus loin pourquoi Dl et D2 sont différents.

La courbe B montre des sections dont les pentes correspondent aux sections de la courbe C : à la partie 21 correspond, naturellement, la partie 11 déjà examinée, et aux paliers 121 et 122 correspondent des parties rectîlignes 111 et 112, l'une ascendante, l'autre descendante, se raccordant en un point 113, qui correspond à la ligne 123.

La courbe A, à son tour, montre, en dehors de la partie 1, deux tronçons 101 et 102 qui se raccordent tangentiellement entre eux au point 103, qui correspond au point 113 de la courbe B, et qui se raccordent aux points 3 et 18 à la partie 1. Les tronçons 101 et 102 sont des

parties de courbes géométriques bien définies et connues sous le nom de paraboles _*

Comme on peut le constater, les courbes A et A' ont une allure assez voisine. Cependant, un traitement mathématique de double dérivation fait apparaître, au niveau des courbes C et C, des différences fondamentales, et qui ont d'importantes conséquences pratiques, à savoir une diminution importante des accélérations subies par l'outil à vitesse de rotation égale, ou une possibilité de vitesse plus grande pour une même accélération.

Dans le cas général, les déplacements qui correspondent aux courbes décrites à la figure sont obtenus à 1'aide d'une came tournante sur laquelle un galet est poussé par un ressort. La forme de la came correspond à la courbe A, ou A' dans l'art antérieur.

Quand le point de contact du galet sur la came s'éloigne du plan de référence ou de l'axe de rotation de celle-ci, le galet est appuyé sur la came avec une force qui est l'addition de la force du ressort et de celle qui résulte du mouvement de la came et qui est proportionnelle â l'accélération visible sur les courbes CC et à l'inertie des pièces mobiles. Quand le point de contact du galet sur la came se rapproche du centre,les forces ci-dessous se soustraient, et il est possible que le galet décolle de la came.

Il y a intérêt manifeste à éviter ce phénomène. L'accélération du mouvement en direction du centre de la came est donc calculée en conséquence. L'extension angulaire de la section correspondante est déterminée en fonction de la vitesse maximale atteinte à la fin de cette section. L'accélération en sens inverse, dans l'autre section, est calculée en fonction des contraintes de raccordement. Il n'y a donc pas de raison que les accélérations des parties 121 et 122 soient les mêmes. Dans les réalisations pratiques, il n'est pas absolument nécessaire que les lignes de raccordement 123, 124, 125 sur la courbe C soient verticales, mais, plus

elles s'écartent de la verticale, plus la longueur des paliers 121 est réduite, et pour atteindre la vitesse nécessaire, il faudra augmenter les valeurs Dl, D2 des accélérations, ce qui n'est pas à souhaiter. Des lignes de raccordement doivent donc être le plus verticales possible.

L'homme de métier pourra sans peine faire les adaptations nécessaires au cas où les parties imposées 1, 11, 21 des courbes A, B, C ont une forme ou une longueur différente de celle qui est décrite.

La figure 2 montre une variante des courbes de la figure 1. Entre les parties imposées 1, 11, 21 des courbes A, B, C, et les sections 101, 111, 121, des mêmes courbes, on a intercalé une section supplémentaire 106, 116, 126, où l'accélération est en sens inverse de la s-action adjacente 101, 111, 121. Sur la courbe A, on constate que la section 106 se raccorde tangentiellement à la partie composée 1 d'un côté et, de l'autre côté, se raccorde par une inflexion 107 à la section 101. Cette inflexion 107 correspond, naturellement, à un point anguleux 117 sur la courbe B des vitesses, et à un décrochement 127 de la courbe C des accélérations. L'extension angulaire de la section supplémentaire 106, 116, 126 est dans l'exemple choisi comprise entre 5 et 15% de celle de la section adjacente 101, 111, 121.

Le tambour inférieur des têtes de lecture de magnétoscopes VHS est une pièce cylindrique allongée si bien que, pour son usinage, on doit déplacer l'outil de coupe parallèlement à l'axe, ces déplacements étant synchronisés avec la rotation de la pièce en cours d'usinage.

La figure 3 illustre ce montage : une ébauche 200 est montée sur un mandrin de tour 201. Un outil de coupe 202 est monté sur un support 203 comportant un système hydraulique apte à faire coulisser l'outil parallèlement à l'axe 204 du mandrin selon la flèche 205. Une came 206 est portée par la broche 207 et tourne dans un plan

perpendiculaire à l'axe 204, à la même vitesse que le mandrin 201. Un galet 208 est solidaire du support 203 et il est pressé contre la came 206 par un ressort 209. Le support 203 est monté sur des glissières 210 parallèles à l'axe pour se déplacer selon la double flèche 211.

L'homme de métier concevra qu'un dispositif similaire peut être utilisé pour usiner une surface cylindrique à section droite non circulaire. La came 206 sera conformée dans ce cas pour déplacer perpendiculairement à l'axe l'ensemble formé par le chariot 205, l'outil 202 et le galet 208, ce dernier ayant alors un axe parallèle à l'axe 204, et les glissières 210 étant tournées de 90 ^e .

Il convient aussi d'observer qu'il est possible d'usiner, selon le procédé de l'invention, des surfaces plus compliquées, l'outil 202 se déplaçant axialement selon une loi de vitesses, et se déplaçant radialement selon une autre loi de vitesses, et au moins une de ces lois, et de préférence les deux, répondant aux exigences de l'invention. L'outil devra alors se déplacer dans les deux directions. La conception des systèmes à came appropriés est simple et à la portée de l'homme de métier. Suivant une variante du dispositif, la ou les cames sont supprimées, et les mouvements de l'outil sont obtenus à 1'aide de dispositifs électromagnétiques programmables, connus en eux-mêmes. Il n'y a pas, alors, de problèmes de décollement sur la came, mais l'invention permet de réduire les effets d'inertie des pièces mobiles pour une vitesse de rotation donnée, et donc d'améliorer la précision et/ou d'augmenter la vitesse d'usinage. Cette variante est particulièrement avantageuse au cas de variations fréquentes de la forme de la surface à usiner.

Bien qu'on ait parlé de tour dans le présent texte, toute machine capable d'imprimer à l'ébauche un mouvement de rotation autour d'un axe peut, évidemment, être utilisée sans sortir de l'invention.

On a représenté sur la figure 4 un tambour 401

d'appareil d'enregistrement sur bande magnétique, par exemple un magnétoscope. Le tambour 401, qui est le susdit "tambour inférieur", comporte essentiellement deux parties : un corps 402 cylindrique de révolution, et un épaulement 403 dont le diamètre est légèrement supérieur à celui du corps 402. La face frontale 404 de l'épaulement 403 a une surface complexe dont une partie référencée 405 constitue ladite surface fonctionnelle ou surface de guidage de la bande magnétique. Cette surface 405 s'étend sur environ 180° et présente un profil hélicoïdal (la trace de sa développée est une droite). Les extrémités de la surface 305 sont référencées 406, 407. Ces extrémités sont à des niveaux différents, c'est-à-dire que les plans passant par ces extrémités et perpendiculaires à l'axe AA' du tambour 401 sont distincts. La surface de raccordement 408, faisant partie de la face 404, relie les extrémités 406 et 407, pour former, avec la surface 405, une surface continue de guidage de largeur constante (largeur égale à la différence entre les diamètres des parties 402 et 403). La développée de la surface 408, obtenue en déroulant sur un plan la face latérale 409 de la partie 403, a une trace, dans ce plan de déroulement, formée, selon l'invention, d'une succession de tronçons de paraboles.

En d'autres termes, la surface 408 peut être définie comme la succession de surfaces engendrées par un segment de droite (arête de coupe de l'outil d'usinage du tour), chacune de ces surfaces étant telle que :

- la droite 410 portant le segment de droite générateur SS' passe par l'axe AA' du tambour 401, ou à proximité immédiate de cet axe (le segment SS' est situé dans un plan passant par AA ¹ ou à proximité immédiate de AA'),

- le segment générateur SS' se déplace de telle façon que son milieu C se trouve à une distance D constante de l'axe AA',

- pour un premier déplacement angulaire élémentaire ( du segment générateur SS' autour de 1'axe AA' , la hauteur

H du milieu C de ce segment par rapport à un plan de référence P perpendiculaire à l'axe AA' (on a seulement représenté l'intersection R de ce plan P avec l'axe AA' ) varie selon une loi parabolique H telle que : H « a ω ² + bGJ + c les coefficients a, b, c étant déterminés de façon que chaque portion élémentaire de la surface 408 soit tangente aux sections adjacentes en ses deux extrémités, et que la forme générale de la surface 408 soit compatible avec les caractéristiques de l'appareil enregistreur utilisant le tambour 401 et de la machine d'usinage de ce tambour. En outre, les coefficients a, b, c sont définis de façon optimale lorsque, tout en respectant la contrainte précitée, la valeur H" « 2a est minimale. La surface 408 est formée d'une succession de plusieurs surfaces élémentaires telles que la surface élémentaire définie ci-dessus, par exemple trois ou quatre surfaces élémentaires, qui s'étendent sur des arcs différen s. Dans le cas décrit ci-dessus,la génératrice SS ¹ est un segment de droite perpendiculaire à 1'axe AA' . Selon d'autres modes de réalisation, la surface fonctionnelle peut avoir une génératrice courbe dont chaque point est situé dans un plan perpendiculaire à AA' . La surface de raccordement a alors également une génératrice courbe. Cette génératrice peut être décomposée en plusieurs segments de droite très courts dont chacun répond à une définition analogue à celle du segment SS'. Bien entendu, ces génératrices sont situées dans des plans passant par AA' .

On a représenté sur la figure 5 un autre mode de réalisation de surface de raccordement conforme à l'invention, dans le cas où la génératrice de la surface fonctionnelle et de la surface de raccordement est pratiquement parallèle à l'axe de la pièce comportant ces surfaces (c'est également l'axe autour duquel tourne la pièce pendant son usinage).

La pièce 500 représentée sur la figure 5 est une came. La came 500 comporte une surface fonctionnelle 501 dont les extrémités sont référencées 502, 503. Ces extrémités sont à des distances différentes de l'axe de la pièce 500. Une surface de raccordement 504 relie ces extrémités. La génératrice GG' de la surface 504 est parallèle à l'axe 505 de la pièce 500. La distance D* de GG' à un cylindre de référence 506 à section circulaire enveloppant la pièce 500 suit une loi analogue à celle que suit la distance H du dispositif de la figure 4.