Outil pour l'usinage de pièces en matériaux composites

La présente invention concerne un outil pour l'usinage de pièces en matériaux composites et une machine d'usinage comprenant un tel outil.

Les matériaux composites ont acquis une large importance dans de nombreux domaines industriels. Leur domaine d'application qui concernait essentiellement l'aéronautique et le spatial initialement, est en pleine expansion et s'étend désormais à des secteurs aussi variés que l'industrie automobile, l'industrie ferroviaire ou encore les loisirs (planche à voile, ...).

Dans l'industrie des pièces pour l'aéronautique, l'usinage est un procédé critique. Il aide non seulement à obtenir la précision dimensionnelle sur les pièces produites, mais il permet également d'obtenir des pièces complexes à partir de matériaux qui seraient autrement difficiles à transformer.

Pour des matériaux composites, l'opération de détourage d'une pièce est réalisée directement à cote finie au moyen d'un outil d'usinage effectuant une ou plusieurs passes dans l'épaisseur de cette pièce, le nombre de passe nécessaire étant fonction de cette épaisseur.

Cependant, on a observé que le détourage de la pièce en matériaux composites peut s'accompagner de l'apparition de défauts dans la pièce, le produit final ainsi obtenu n'atteignant pas les propriétés mécaniques attendues. Ces défauts qui résultent du soulèvement de plis de fibres, sont encore appelés « écaillages ». En l'absence de retrait de la pièce lors du

contrôle de qualité, ces défauts peuvent à l'usage conduire à une fracture de la pièce.

On a également constaté une usure plus ou moins rapide des outils d'usinage liée à une absence de contrôle de la profondeur de passe dans l'épaisseur de la pièce, d'une passe à l'autre. Or cette usure prématurée de l'outil entraîne des arrêts plus fréquents de la machine d'usinage et l'intervention d'un opérateur qualifié. Les coûts engendrés par le changement de l'outil ainsi que la perte de productivité liée au temps d'intervention de l'opérateur sont incompatibles avec les impératifs économiques de l'industrie des pièces pour l'aéronautique.

Par ailleurs, les outils d'usinage de l'état de l'art mis en œuvre dans l'usinage des pièces en matériaux composites ne permettent pas de réaliser des trous ou des cavités dans ces pièces.

La réalisation de pièces par découpe dans une panoplie de grande dimension, avec de tels outils d'usinage, impose en conséquence de partir d'un bord de cette panoplie pour aller chercher la première pièce à découper.

La machine ne peut aller se placer directement sur le point de départ de la découpe de la pièce, cette dernière étant repérée par ses coordonnées dans un repère qui est celui de la panoplie. La découpe de matière supplémentaire ainsi engendrée augmente considérablement le temps de découpe des pièces dans la panoplie et entraîne une usure prématurée de l'outil d'usinage.

Enfin, l'usinage mécanique des matériaux composites exige aussi des outils coupants de plus en plus perfectionnés pour augmenter fortement le débit de copeaux et réduire ainsi le temps nécessaire aux opérations de détourage d'une pièce en matériaux composites.

L'objectif de la présente invention est donc de proposer un outil pour l'usinage de pièce en matériaux composites, simple dans sa conception et dans son mode opératoire, économique, et permettant de contrôler la profondeur de passe de cet outil afin que celle-ci soit constante d'une passe à l'autre, tout en réalisant simultanément l'ébauche et la finition de la pièce en détourage.

Un autre objet de la présente invention est de disposer d'un outil d'usinage capable de réaliser simultanément des opérations d'ébauche et de finition en plongée directe dans la matière de la pièce.

A cet effet, l'invention concerne un outil pour l'usinage de pièces en matériaux composites, cet outil ayant un corps principal sensiblement cylindrique.

Selon l'invention, le corps principal comporte une partie de polissage de diamètre D ₁ ayant un axe principal et une partie abrasive de diamètre D ₂ avec D ₂ < D-i, la partie abrasive étant centrée sur cet axe principal. De plus, la partie abrasive comporte à son extrémité au moins un élément coupant destiné à permettre des plongées de l'outil dans lesdites pièces, cet élément coupant de la partie abrasive étant un creux en forme de tronc de cône inversé.

Dans différents modes de réalisation particuliers de cet outil d'usinage, chacun ayant ses avantages particuliers et susceptibles de nombreuses combinaisons techniques possibles: l'outil présente au moins un conduit central débouchant sur la surface externe de la partie abrasive pour assurer la lubrification de celle-ci,

Avantageusement, la lubrification de l'outil est assurée par un conduit placé au centre du corps principal de l'outil et débouchant à l'extrémité de la partie abrasive au niveau de l'élément coupant. - le conduit central est de plus relié en communication de fluide avec au moins un canal annexe débouchant sur la surface externe de ladite partie abrasive,

Ces canaux annexes sont de préférence répartis sur plusieurs niveaux de la partie abrasive de manière à lubrifier uniformément la surface externe de la partie abrasive. Les fluides lubrifiants mis en œuvre sont, par exemple, de l'huile de coupe ou une émulsion.

- la partie abrasive comporte des particules abrasives présentant une taille de particule abrasive moyenne comprise entre environ 300 μm et 1000 μm. - la partie de polissage comporte des particules abrasives présentant une taille de particule abrasive moyenne comprise entre environ 100 μm et θOO μm,

La taille de particule abrasive est typiquement déterminée par la plus grande dimension de la particule abrasive. Bien entendu, il existe une distribution de tailles de particule autour de cette taille de particule abrasive moyenne.

Néanmoins, on pourra également chercher à exercer un contrôle plus important sur la distribution de tailles des particules de sorte que la partie de polissage ainsi déterminée fournisse une finition de la pièce en matériaux composites plus uniforme. - la partie de polissage présente des vides entre les particules abrasives,

De préférence, la taille moyenne de ces vides est comprise entre 10 et 500 μm.

- la partie de polissage comporte au moins une zone de surface continue ou non permettant la préhension de l'outil.

L'invention concerne également une machine d'usinage de pièces en matériaux composites comprenant au moins un dispositif porte-outil destiné à recevoir un outil coupant.

Selon l'invention, cet outil coupant est un outil tel que décrit précédemment.

L'invention sera décrite plus en détail en référence aux dessins annexés dans lesquels:

- la figure 1 est une représentation schématique d'un outil pour l'usinage de pièce en matériaux composites, en vue de profil (Fig. 1a) et en coupe (Fig. 1 b), selon un mode de réalisation de l'invention ;

- la figure 2 est une vue en coupe partielle de l'outil de la Figure 1 montrant la partie abrasive en plongée dans la matière d'une pièce;

- la figure 3 représente schématiquement un outil pour l'usinage de pièce en matériaux composites, en vue de profil avec les extrémités en coupe (Fig. 3a) selon un autre mode de réalisation. La Fig. 3b est une vue élargie en coupe de l'extrémité de la partie abrasive de l'outil d'usinage;

La Figure 1 montre un outil pour l'usinage de pièce en matériaux composites selon un mode de réalisation particulier de l'invention. Cet outil a un corps principal sensiblement cylindrique. Ce corps principal comprend d'une part, une partie de polissage 1 de diamètre D ₁ ayant un axe principal 2 et d'autre part, une partie abrasive 3 de diamètre D ₂ avec D ₂ < D-i. La partie abrasive 3 est centrée sur cet axe principal 2 de sorte que l'écart entre les diamètres des deux parties (D ₂ -Di)/2 définisse la prise latérale en finition de l'outil.

L'épaulement résultant de la différence de diamètre entre ces deux parties 1 , 3 du corps principal permet de maintenir une profondeur de passe constante de l'outil quelle que soit l'épaisseur de la pièce à détourer.

De plus, les parties de polissage 1 et abrasive 3 permettent de réaliser simultanément l'ébauche et la finition de cette pièce sans avoir à changer d'outil sur la machine à usiner. Le corps principal est monobloc. Il est avantageusement métallique, par exemple, en acier.

La partie abrasive 3 du corps principal comporte à son extrémité 4 au moins un élément coupant 5 destiné à permettre des plongées de l'outil dans les pièces. Cet élément coupant 5 rend possible la réalisation de trous ou de cavités, par exemple, dans les pièces en matériaux composites.

L'élément coupant 5 est réalisé par un creux en forme de tronc de cône inversé placé à l'extrémité 4 de la partie abrasive 3. La Figure 2 montre une vue en coupe d'un tel outil en plongée dans la matière d'une pièce 6. L'outil se déplace de la droite vers la gauche dans le sens de plongée indiqué par la flèche 7. L'outil présente une arête de coupe 8 intérieure à la partie abrasive qui travaille dans la matière.

La partie abrasive 3 comporte des particules abrasives présentant une taille de particule abrasive moyenne comprise entre environ 300 μm et 1000 μm, et de préférence comprise entre 400 μm et 850 μm.

Ces particules abrasives sont avantageusement choisies dans le groupe comprenant le nitrure de bore cubique, le diamant monocristallin ou polycristallin, le carbure, et des combinaisons de ces éléments.

Dans le cas où les particules abrasives de la partie abrasive 3 sont du diamant polycristallin, le dépôt de ces particules peut être réalisé par dépôt électrolytique, par dépôt métal brasé ou dépôt diamant polycristallin brasé, ou encore par le dépôt de couches de diamant par la technique de dépôt chimique en phase vapeur (CVD -"Chemical vapor déposition"). Ces techniques de dépôt, étant connues de l'homme du métier, ne seront pas décrites ici.

La partie de polissage 1 de diamètre D ₂ comporte des particules abrasives présentant une taille de particule abrasive moyenne comprise entre environ 100 μm et 600 μm, et de préférence entre 250 et 500 μm.

Les particules abrasives pour la partie de polissage 1 peuvent être choisies dans le groupe comprenant le diamant, l'oxyde d'aluminium, l'oxyde de zirconium et des combinaisons de ces éléments.

Dans le cas où les particules abrasives de la partie de polissage 1 sont du diamant polycristallin, le dépôt de ces particules peut être réalisé par dépôt diamant électrolytique.

La partie de polissage 1 comporte de préférence au moins une zone de surface continue ou non, non représentée, permettant la préhension de l'outil par un opérateur afin de le monter ou l'enlever du porte-outil d'une machine d'usinage.

L'outil présente également une portion placée en arrière du corps principal de l'outil, dont la forme permet l'insertion de l'outil sur un porte-outil. Cette portion peut être réalisée de diverses façons, de manière à pouvoir être montée sur tous les types d'attachements connus de l'homme du métier. Dans ce cas, cette portion comporte une queue cylindrique rectifiée de sorte que l'outil peut avantageusement être monté dans des attachements de type : SA, avec pince, ou fretté.

Le diamètre Di de la partie de polissage 1 est de préférence compris entre 10 et 32 mm à ± 10%, le diamètre D ₂ de la partie abrasive 3 étant inférieur au diamètre D-i. Par exemple, le diamètre D ₂ est compris entre 6 et 28 mm à ± 10%.

Pour un outil présentant de tels diamètres pour les parties abrasives 3 et de polissage 1 , le tronc de cône 5 a une base 11 de diamètre compris entre

4 et 24 mm à ± 10% et un sommet 12 de diamètre compris entre 2 et 20 mm à ± 10%. Cette géométrie de l'élément coupant détermine l'angle de plongée maximum de l'outil.

L'outil peut comporter un conduit central 9 débouchant sur la surface externe de la partie abrasive 3, ce qui permet un arrosage de l'outil par le centre. De préférence, le conduit 9 débouche à l'extrémité 4 de la partie abrasive 3 au niveau de l'élément coupant 5 pour assurer la lubrification de celui-ci. Le conduit central 9 présente également des sorties 10 sur la surface externe de la partie abrasive 3.

La Figure 3 montre un outil pour l'usinage de pièce en matériaux composites dans un autre mode de réalisation. Les éléments structurels de la Figure 3 portant les mêmes références que ceux de la Figure 1 représentent

les mêmes objets. La partie abrasive 3 du corps principal comporte à son extrémité 4 un élément coupant 5 destiné à permettre des plongées de l'outil dans les pièces. Une portion 13 de la surface externe de la partie abrasive 3 est diamantée. Le conduit central 9 est relié à un ensemble de canaux d'arrosage annexes 14-20 répartis sur plusieurs niveaux et débouchant sur des orifices de sortie 10. Ces canaux annexes 14-20 sont de préférence répartis dans le corps de la partie abrasive 3 de manière à arroser uniformément la surface externe de l'outil et en particulier la portion diamantée 13. Le diamètre du conduit central 9 est supérieur à celui des canaux annexes 14-20 de manière à obtenir une pression d'arrosage toujours suffisante et constante dans les canaux d'arrosage annexes 14-20. L'extrémité du conduit central 9 du coté de la partie de polissage 1 est avantageusement reliée à un système d'alimentation en fluide lubrifiant sous pression. Cette pression est de préférence supérieure à 10 bars afin d'assurer l'écoulement du fluide lubrifiant à travers l'ensemble porte-outil/outil.

Cet arrosage par le centre de l'outil permet avantageusement d'augmenter la durée de vie de l'outil en réduisant l'encrassement observé dans les dispositifs de l'art antérieur et la vitesse de coupe de cet outil pour une qualité d'usinage préservée. Les gains, exprimés en rapport (coût outil)/(productivité), réalisés avec l'outil pour l'usinage des pièces en matériaux composites de l'invention comparativement à une technologie mettant en œuvre un outil de coupe avec des arêtes en diamant polycristallin (PCD) sont de l'ordre de 95 à 98%.