FR2972122A1 - Fraise pour materiaux composites - Google Patents

Abstract

L'invention permet l'usinage par fraisage de matériaux composites, en évitant des phénomènes de délaminage et de fibres non coupées, en réalisant un état de surface satisfaisant, le tout de façon compétitive. L'outil coupant décrit dans cette invention est constitué à sa périphérie d'une multitude d'arêtes de coupe, orientées d'une façon particulière. L'invention est particulièrement adaptée pour les industriels mettant en œuvre des matériaux composites.

Description

- 1 - L'utilisation de plus en plus importante de matériaux composites dans différents secteurs amène à développer des solutions originales d'usinage de ces matériaux.

Un matériau composite est un assemblage de deux ou plusieurs matériaux, des arrangements de fibres, des renforts qui sont noyés dans une matrice dont la résistance mécanique est beaucoup plus faible. La matrice assure la cohésion et l'orientation des fibres, elle permet également de transmettre les sollicitations auxquelles sont soumises les pièces. Les matériaux ainsi obtenus sont hétérogènes et anisotropes, leur conférant des propriétés bien spécifiques et adaptées au besoin.

Ces propriétés, ainsi que les évolutions dans leur mise en oeuvre, leur permettent de s'imposer dans différents secteurs tels que le bâtiment, les équipements urbains, la décoration, l'agencement, le mobilier, les sanitaires, l'aéronautique, le nautisme, les équipements sportifs, l'énergétique,

Ces matériaux sont conventionnellement usinés avec des outils à base de diamant, outils fort coûteux qui représentent une part non négligeable dans le coût final de la pièce. Ces outils sont soit des outils réalisés grâce à l'inclusion de grains dans des résines et dont le principe de coupe est l'abrasion, soit des outils utilisant des plaquettes de diamant polycristallin permettant de générer un usinage par formation de copeaux.

Ce sont des outils très durs et ayant pour caractéristique une très grande résistance à l'usure. Ils peuvent être utilisés pour usiner tous les matériaux présentant un caractère très abrasif pour les outils tout en assurant une durée de vie très importante permettant d'usiner des grandes séries de pièces. - 2 - Cependant, dans les marchés visés que sont les matériaux composites, les séries usinées ne sont pas des grandes séries. Notre objectif est de mettre au point des outils performants à base de carbure de tungstène fritté, monobloc, afin d'optimiser le coût global de revient d'une pièce. L'opération retenue est le fraisage par contournage, souvent appelé aussi détourage.

Les matériaux en question sont principalement des matrices polymères (résines polyester ou epoxy) renforcées, par exemple, de fibres de verre ou de carbone, ou des bétons synthétiques.

Les outils en carbure monobloc existants aujourd'hui ne satisfont pas un usinage performant des matériaux composites. Ces matériaux sont hétérogènes, lors de l'usinage par fraisage, l'intégrité du matériau usiné est souvent mise à mal : des phénomènes de délaminage (défaut de cohésion entre deux couches (ou plis) d'un stratifié) et de fibres non coupées sont très souvent observés. De plus, la qualité de l'opération d'usinage, caractérisée par son état de surface, doit atteindre le 25 niveau demandé. Enfin, la productivité est un facteur important pour une entreprise devant assurer l'usinage de ces matériaux tout étant compétitive. Les outils en carbure monobloc aujourd'hui sur le 30 marché ne permettent pas de répondre favorablement à tous ces critères.

Le but de l'invention est d'éviter les inconvénients précités et d'apporter une solution techniquement simple, 35 permettant d'améliorer les performances des outils en carbure monobloc pour fraiser des matériaux composites, sans délaminer le matériau, en coupant correctement les - 3 fibres, en réalisant un état de surface de finition, le tout de façon productive. L'outil coupant décrit dans cette invention est constitué à sa périphérie d'une multitude d'arêtes de 5 coupe, orientées d'une façon particulière. La multitude d'arêtes de coupe permet de réaliser un usinage sans chocs, et sans vibrations, plusieurs arêtes de coupe étant constamment en contact avec la matière lors de l'usinage. De plus, des arêtes courtes, espacées par 10 une sorte de brise-copeaux agissent favorablement sur la coupe des fibres. L'outil est dit « de compression », permettant de minimiser le délaminage des matériaux composites ; ceci est obtenu par la présence d'arêtes de coupe « à droite » 15 et « à gauche », sur le même outil, à des positions axiales différentes. Le meilleur résultat sera obtenu en utilisant l'outil à une position axiale particulière. Ses arêtes de coupe présentent des « parties droites » (inscrites dans le cylindre développé par le diamètre de 20 l'outil), réparties avantageusement le long de l'outil, permettant d'obtenir des états de surface dits « de finition » (Ra<3.2) sur les surfaces usinées, et de couper correctement les fibres des matériaux composites. Les arêtes de coupe discontinues (de type « brise- 25 copeaux ») génèrent un mode d'usinage plus proche de l'abrasion que de la coupe par formation de copeaux, mode plus adapté à l'usinage de résines thermodurcissables. Enfin le nombre de dent important autorise des taux d'enlèvement de matière (débit copeaux Q (cm3/min) élevés 30 rendant l'opération particulièrement productive.

La figure 1 représente une fraise pour matériaux composites. La figure 2 représente le détail de la denture 35 périphérique d'un outil. La figure 3 représente la géométrie d'une dent. - 4 - La figure 4 représente plusieurs possibilités d'affutage du bout de l'outil. La figure 5 représente la fraise en situation d'usinage par contournage.

L'objet de l'invention consiste en une nouvelle façon de créer et tailler la denture, de sorte que l'outil puisse satisfaire aux exigences. L'outil (1) se présente sous forme d'un cylindre, dont l'axe sera l'axe de rotation donnant la direction de coupe. La rotation pourrait être horaire ou antihoraire, mais le mode de réalisation décrit ci-après expose la rotation horaire. Une des extrémités du cylindre représentera la queue (2), cette partie est nécessaire pour établir une liaison mécanique à la machine d'usinage ; cette extrémité peut être définie différemment en fonction du type d'attachement retenu. L'autre extrémité représentera la coupe (3), partie active de l'outil, qui, en rotation autour de son axe, sera en contact avec la matière à usiner (4), et génèrera les fragments de matériau devant être ôtés à la pièce à mettre en forme. La partie active comporte des goujures hélicoïdales (5d, 5g), s'étendant de l'extrémité de la coupe à la liaison avec la queue de l'outil, formant des dents (6d, 6g). Les goujures, de quantité strictement supérieure à deux, peuvent être réparties également ou inégalement sur le cercle généré par une coupe par un plan perpendiculaire à l'axe de l'outil.

L'intersection des goujures et du cylindre forme les arêtes de coupe (7, 7d, 7g), avec un angle de coupe orthogonal (y), bien connu des hommes du métier, compris entre 0° et 20° environ. L'outil présente des goujures hélicoïdales dites « à 35 droite » (5d), et des goujures hélicoïdales dites « à gauche » (5g).

L'angle d'enroulement des goujures, appelé angle d'hélice, sera compris entre 15 et 30° environ, les angles d'hélices « à droite » (Ad) et d'hélices « à gauche » (Àg) pouvant être égaux ou différents.

Les nombres de goujures « à droite » et de goujures « à gauche » peuvent être égaux ou différents. Cependant, si ces nombres sont différents, cela permettra de décaler axialement entre chaque dent la position des arêtes de coupe et assurer un état de surface quasi linéaire, parallèle à l'axe de l'outil, sur la surface usinée. Afin de créer un effet « compression », la profondeur des goujures hélicoïdales n'est pas constante tout au long de la partie active : au bout de l'outil, près de l'extrémité libre, la profondeur des goujures hélicoïdales « à droite » (5d) est plus importante que celle des goujures hélicoïdales « à gauche » (5g), ayant pour effet de générer des arêtes de coupe orientées « à droite », les goujures hélicoïdales « à gauche » (5g), de plus faible profondeur, générant un brise-copeaux. De même, du coté de la queue de l'outil, la profondeur des goujures hélicoïdales « à gauche » (5g) est plus importante que celle des goujures hélicoïdales « à droite » (5d), générant des arêtes de coupe orientées « à gauche », les goujures hélicoïdales « à droite » (5d), de plus faible profondeur, générant un brise-copeaux. La conséquence est que vers le bout de l'outil, ce sont les arêtes de coupe « à droite » (7d) qui usinent la matière, les efforts de coupe sont orientés axialement vers la queue de l'outil; alors que vers la queue de l'outil, ce sont les arêtes de coupe « à gauche » (7g) qui usinent la matière, les efforts de coupe sont axialement orientés vers le bout de l'outil, d'où cet effet « compression » évitant le délaminage des couches du composite stratifié.

Les goujures sont en fait coniques, de sens de conicité inversé pour les goujures « à droite » et les goujures « à gauche », rendant la variation de leur profondeur progressive, et permettant une continuité de passage entre l'usinage avec les arêtes « à droite » (7d) et les arêtes « à gauche » (7g).

L'inversion de sens des arêtes de coupe (7) se produit à une position axiale particulière de la partie active de l'outil, il sera préférable de positionner la pièce à usiner (4) de part et d'autre de cette position. Si l'inversion de sens des arêtes (7) se produit environ au milieu (8) de la partie active de l'outil (lorsque la profondeur et la conicité des goujures « à droite » et « à gauche » sont égales), alors il sera préférable de positionner la pièce à usiner (4) de part et d'autre du milieu de l'outil.

Afin de former une arête de coupe (7), le dos de chaque dent est dépouillé, d'un angle de dépouille (a) compris entre 4° et 20° environ. Le bout de l'outil est affûté de façon classique (dépouillé simple (9), 2 dents perçantes (10) ou bout de 20 foret (11)), suivant le cas, et non objet de la présente invention.

L'invention pourra avantageusement être utilisée par tous les industriels mettant en oeuvre des matériaux 25 composites, à matrices polymères, où le procédé exige l'utilisation d'outils coupants, notamment de détourage, et dont les caractéristiques de la pièce finie exigent un niveau de qualité (état de surface, délaminage) que les outils coupants actuellement sur le marché ne peuvent satisfaire.

Claims (7)

1. REVENDICATIONS1 - outil en carbure monobloc pour le fraisage de matériaux composites caractérisé en ce que les arêtes de coupe usinant la matière sont successivement orientées « à droite » vers le bout de l'outil, puis « à gauche » vers la queue de l'outil.
2. 2 - outil selon la revendication 1 caractérisé en ce que ses arêtes de coupe sont formées par des goujures hélicoïdales « à droite » et « à gauche ».
3. 3 - outil selon les revendications 1 à 2 caractérisé en ce 10 que ses goujures sont coniques.
4. 4 - outil selon les revendications 1 à 3 caractérisé en ce que ses goujures « à droite » et « à gauche » ont un sens de conicité inversé.
5. 5 - outil selon les revendications 1 à 4 caractérisé en ce 15 que la profondeur des goujures « à droite » (respectivement « à gauche ») est plus importante que celle des goujures « à gauche » (respectivement « à droite ») coté bout de l'outil (respectivement coté queue de l'outil). 20
6. 6 - outil selon les revendications 1 à 5 caractérisé en ce que la goujure « à gauche » (respectivement « à droite ») de plus faible profondeur (coté bout de l'outil (respectivement coté queue de l'outil)) devient le brise copeaux des arêtes « à droite » (respectivement « à gauche 25 »).
7. 7 - outil selon les revendications 1 à 2 caractérisé en ce que le nombre de goujures « à droite » est différent du nombre de goujures « à gauche ».