FR2656554A1

FR2656554A1 - Precision drilling tool for composite materials

Info

Publication number: FR2656554A1
Application number: FR8917299A
Authority: FR
Inventors: Lechervy Pierre; Marc; Serge; Morizot Richard; Albert; Pierre
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1989-12-28
Filing date: 1989-12-28
Publication date: 1991-07-05
Also published as: FR2656554B1

Abstract

A drilling tool, designed for drilling composite materials with an organic matrix reinforced with fibres, includes two flutes (lips) joined by a thin core and a tip with a vertex angle close to 60 DEG and at least one part (7) exhibiting conicity lying between 5 and 10 DEG , the helix angle h of the said cutting flutes being close to 10 DEG .

Description

DESCRIPTION
La présente invention concerne un outil de perçage de précision notamment pour matériaux composites à matrice organique, renforcé de fibres.DESCRIPTION
The present invention relates to a precision drilling tool in particular for composite materials with an organic matrix, reinforced with fibers.

Lors du perçage des matières à base de fibres imprégnées dans une matrice organique, des difficultés de réalisation sont souvent rencontrées, notamment lorsque des forets classiques de perçage sont utilisés. On observe en effet fréquemment un délaminage des fibres lors du débouchage.When drilling materials based on fibers impregnated in an organic matrix, production difficulties are often encountered, in particular when conventional drilling drills are used. Indeed, a delamination of the fibers is frequently observed during uncorking.

Dans certains cas l'utilisation d'un support permet de réduire le phénomène. Divers outils spéciaux adaptés à des utilisations particulières ont également été proposés.In certain cases the use of a support makes it possible to reduce the phenomenon. Various special tools adapted to particular uses have also been proposed.

US-A-4 480 952, US-A-4 449 865 et US-A-4 338 050 illustrent des exemples de ces réalisations connues.US-A-4,480,952, US-A-4,449,865 and US-A-4,338,050 illustrate examples of these known embodiments.

Tout en résolvant de manière avantageuse les problèmes évoqués évoqués ci-dessus, un des buts de l'invention est également de permettre un accroissement des vitesses d'avance en utilisation de l'outil de perçage.While advantageously solving the problems mentioned above, one of the aims of the invention is also to allow an increase in feed speeds when using the drilling tool.

Ces résultats sont obtenus au moyen d'un outil de perçage caractérisé en ce qu'il comporte deux lèvres réunies par une âme mince, une pointe dont l'angle au sommet est voisin de soixante degrés et au moins une partie présentant une conicité comprise entre cinq et dix degrés, l'angle d'hélice desdites lèvres de coupe étant compris entre huit et douze degrés.These results are obtained by means of a drilling tool characterized in that it comprises two lips joined by a thin core, a point whose angle at the apex is close to sixty degrees and at least one part having a conicity between five and ten degrees, the helix angle of said cutting lips being between eight and twelve degrees.

Avantageusement, l'outil peut comporter une zone complémentaire formant alésoir.Advantageously, the tool may include a complementary zone forming a reamer.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre de deux modes de réalisation de l'invention, en référence aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 représente une vue en élévation d'un outil
de perçage selon un premier mode de réalisation de
l'invention invention - la figure 2 représente une vue en bout suivant la flèche
F, de l'outil représenté sur la figure 1 - la figure 3 représente une vue de l'outil en coupe par
un plan transversalne perpendiculaire à l'axe de l'outil,
selon la ligne III-III de la figure 1.Other characteristics and advantages of the invention will be better understood on reading the following description of two embodiments of the invention, with reference to the accompanying drawings in which - Figure 1 shows an elevational view of a tool
drilling according to a first embodiment of
the invention invention - Figure 2 shows an end view along the arrow
F, of the tool shown in Figure 1 - Figure 3 shows a view of the tool in section through
a transverse plane perpendicular to the axis of the tool,
according to line III-III of Figure 1.

- la figure 4 montre un détail agrandi du listel d'outil
représenté sur la figure 3 - la figure 5 représente, selon une vue analogue à celle
de la figure 1, un outil de perçage selon un deuxième
mode de réalisation de l'invention - la figure 6 représente, selon une vue analogue à celle
des figures 2 et 3, une coupe de l'outil représenté sur
la figure 5, selon la ligne VI-VI de la figure 5 - la figure 7 montre un détail agrandi du listel d'outil
représenté sur la figure 6.- Figure 4 shows an enlarged detail of the tool list
shown in Figure 3 - Figure 5 shows, in a view similar to that
of Figure 1, a drilling tool according to a second
embodiment of the invention - Figure 6 shows, in a view similar to that
Figures 2 and 3, a section of the tool shown in
Figure 5, along line VI-VI of Figure 5 - Figure 7 shows an enlarged detail of the tool list
shown in Figure 6.

- la figure 8 montre, selon une vue analogue à celle de la
figure 7, une variante de réalisation.- Figure 8 shows, in a view similar to that of the
Figure 7, an alternative embodiment.

Un outil particulièrement adapté pour le perçage de matériaux composites à matrice organique renforcée de fibres et conforme à l'invention est représenté à la figure 1. Ledit outil comporte, de manière connue en soi, un corps 1 d'outil muni d'une queue de fixation sur une machine, non représentée sur les dessins et ne faisant pas partie de l'invention, qui assure la mise en rotation et l'avance de l'outil et développe l'effort de coupe nécessité par la mise en oeuvre dudit outil pour le perçage d'une pièce. L'outil comporte en outre, dans le prolongement et solidaire dudit corps 1, une partie travaillante 2 dont la définition remarquable caractérise l'invention. Ladite partie travaillante 2 comporte dans un plan transversal perpendiculaire à l'axe longitudinal de l'outil,comme le montre la figure 2, deux lèvres de coupe 3 et 4 réunies par une âme 5 mince.Pour un diamètre d'outil de 3,5 mm, l'épaisseur de l'âme 5 est par exemple de l'ordre de 0,8 mm, comme représenté sur la figure 2 et selon la partie représentée sur la figure 3, pour un diamètre d'outil de 6 mm, l'épaisseur de l'âme 5 d'outil peut aller, par exemple, jusqu'à 2,5 mm. De manière remarquable, et conforme à l'invention, ladite partie travaillante 2 d'outil se compose de trois parties, une pointe 6 d'angle au sommet a faible, voisin de soixante degrés par exemple, puis une partie conique7, dont la conicité peut varier de cinq à dix degrés et enfin une partie cylindrique 8. L'âme 5 d'outil est amincie sur la pointe 6 et évolue sur la partie conique 7 de manière à conserver des goujures profondes 9 dont la profondeur est comprise entre le tiers et le quart du diamètre d'outil correspondant.Dans le cas d'un outil de faible diamètre, un angle a de pointe de valeur supérieure peut être donné.A tool particularly suitable for drilling composite materials with an organic matrix reinforced with fibers and in accordance with the invention is shown in FIG. 1. Said tool comprises, in a manner known per se, a tool body 1 provided with a shank fixing on a machine, not shown in the drawings and not part of the invention, which ensures the rotation and advance of the tool and develops the cutting force required by the use of said tool for drilling a part. The tool further comprises, in the extension and integral with said body 1, a working part 2 whose remarkable definition characterizes the invention. Said working part 2 comprises, in a transverse plane perpendicular to the longitudinal axis of the tool, as shown in FIG. 2, two cutting lips 3 and 4 joined by a thin core 5. For a tool diameter of 3, 5 mm, the thickness of the core 5 is for example of the order of 0.8 mm, as shown in FIG. 2 and according to the part shown in FIG. 3, for a tool diameter of 6 mm, the thickness of the tool core 5 can range, for example, up to 2.5 mm. Remarkably, and in accordance with the invention, said working part 2 of the tool is made up of three parts, a tip 6 with a slight angle at the apex, close to sixty degrees for example, then a conical part 7, the taper of which can vary from five to ten degrees and finally a cylindrical part 8. The tool core 5 is thinned on the point 6 and evolves on the conical part 7 so as to retain deep flutes 9 whose depth is between a third and a quarter of the corresponding tool diameter. In the case of a small diameter tool, a tip angle a of higher value can be given.

Les arêtes de coupe de l'outil sont disposées, de manière connue en soi, selon une hélice. De manière remarquable, conforme à l'invention, un angle h d'hélice faible, de l'ordre de dix degrés est imposé. La figure 4 montre un détail agrandi du listel d'une lèvre de coupe de l'outil, montrant un angle c de coupe, de l'ordre de huit degrés dans l'exemple représenté, un angle b de dépouille de dix degrés et une partie dégagée en détalonnage 10 derrière le listel et qui permet d'éviter un encrassage de l'outil. The cutting edges of the tool are arranged, in a manner known per se, according to a helix. Remarkably, in accordance with the invention, a small helix angle h, of the order of ten degrees is imposed. FIG. 4 shows an enlarged detail of the strip of a cutting lip of the tool, showing a cutting angle c, of the order of eight degrees in the example shown, a draft angle b of ten degrees and a part cleared in offset 10 behind the strip and which prevents fouling of the tool.

La caractéristique de partie conique 7 dudit outil, en permettant une coupe progressive évite l'effet de délaminage du matériau composite en réduisant l'effort axial. Elle permet également de grandes vitesses d'avance grâce à la génération d'un copeau sur toute la longueur d'arête en contact avec le matériau.The characteristic of conical part 7 of said tool, by allowing a progressive cutting avoids the delamination effect of the composite material by reducing the axial force. It also allows high advance speeds thanks to the generation of a chip over the entire length of edge in contact with the material.

Des essais réalisés avec un outil conforme à l'invention, en carbure de tungstène micrograins, représenté sur les figures l à 4, de diamètre 6,45 mm, sur un matériau composite à base de fibres de carbone, ont permis d'obtenir une vitesse de coupe de 26 m/par minute et des avances au tour comprises entre 0,2 et 0,3 mm, soit des vitesses d'avance variant de 260 à 390 mm par minute, sans aucun délaminage du matériau. En utilisant des forets de perçage classiques, les avances au tour doivent être réduites à 0,03 mm. Une valeur faible de l'angle a de pointe 6 de l'outil, la faible épaisseur de l'âme 5 d'outil et l'angle h faible d'hélice concourent avec la caractéristique de coupe progressive pour éviter l'effet de délaminage sur les matériaux composites percés.La partie cylindrique 8 de l'outil de perçage permet d'obtenir un calibrage précis des trous réalisés. Des qualités H7 ont ainsi été obtenues avec les paramètres cidessus.Tests carried out with a tool according to the invention, made of micrograin tungsten carbide, shown in FIGS. 1 to 4, of diameter 6.45 mm, on a composite material based on carbon fibers, made it possible to obtain a cutting speed of 26 m / per minute and feed rates of between 0.2 and 0.3 mm, i.e. feed speeds varying from 260 to 390 mm per minute, without any delamination of the material. When using conventional drill bits, the feeds to the lathe should be reduced to 0.03 mm. A small value of the angle a of the tool tip 6, the small thickness of the tool core 5 and the small helix angle h combine with the progressive cutting characteristic to avoid the delamination effect on drilled composite materials. The cylindrical part 8 of the drilling tool enables precise calibration of the holes made. H7 qualities were thus obtained with the above parameters.

Les figures 5 à 7 représentent un deuxième mode de réalisation d'un outil de perçage conforme à l'invention. Figures 5 to 7 show a second embodiment of a drilling tool according to the invention.

Comme précédemment, l'outil comporte un corps Il d'outil solidaire d'une partie travaillante 12. Ladite partie travaillante 12 se compose de quatre parties : en extrémité, une pointe 16, d'angle au sommet a faible, voisin de soixante degrés, par exemple, puis une partie perçante 17 constituée de deux lèvres de coupe 3 et 4 réunies par une âme mince 5, de manière analogue à la figure 2 et disposées en hélice suivant un angle h faible d'hélice, voisin de dix degrés. L'outil est ensuite complété par un élément formant alésoir et comportant une partie conique 18, dont la conicité peut varier de cinq à dix degrés puis une partie cylindrique 19. La partie alésoir peut comporter quatre arêtes de coupe 20, 21, 22 et 23, comme réprésenté sur la vue en coupe de la figure 6.La profondeur des goujures 24 est dans ce cas d'environ le quart du diamètre d'outil et pour un diamètre d'outil de 6,45 mm, l'épaisseur de l'âme 15 d'outil est par exemple, à ce niveau, de 3,5 mm. La figure 7 montre un détail agrandi du listel de la partie alésoir de l'outil.As before, the tool comprises a tool body II secured to a working part 12. Said working part 12 is made up of four parts: at the end, a point 16, with a slight angle at the apex, close to sixty degrees , for example, then a piercing part 17 consisting of two cutting lips 3 and 4 joined by a thin core 5, in a manner analogous to FIG. 2 and arranged in a helix at a small helical angle h, close to ten degrees. The tool is then completed by a reamer element and comprising a conical part 18, the conicity of which can vary from five to ten degrees then a cylindrical part 19. The reamer part can comprise four cutting edges 20, 21, 22 and 23 , as shown in the sectional view of FIG. 6. The depth of the flutes 24 is in this case about a quarter of the tool diameter and for a tool diameter of 6.45 mm, the thickness of l the tool core 15 is, for example, at this level, 3.5 mm. Figure 7 shows an enlarged detail of the list of the reamer part of the tool.

La face de coupe 25 présente un angle de coupe nul et est raccordée à une face présentant un angle de dépouille d qui dans l'exemple représenté est voisin de douze degrés, suivie d'une face de dégagement présentant un angle de détalonnage e voisin de vingt degrés.The cutting face 25 has a zero cutting angle and is connected to a face having a clearance angle d which in the example shown is close to twelve degrees, followed by a release face having a decalibration angle e close to twenty degrees.

Comme précédemment, des essais réalisés avec un outil avec alésoir intégré conforme à l'invention et représenté sur les figures 5 à 7 ont montré des performances intéressantes. Des avances au tour de 0,3 à 0,5 mm ont pu être appliquées pour une vitesse de coupe de 16 m par minute et des vitesses d'avance comprises entre 250 et 425 mm par minute pour un diamètre de 6 mm. Comme lors des essais précédents, aucun effet de délaminage n'a été observé sur les matériaux percés et la tenue à l'usure des outils est satisfaisante.As before, tests carried out with a tool with integrated reamer in accordance with the invention and represented in FIGS. 5 to 7 have shown interesting performances. Feeds of 0.3 to 0.5 mm per turn could be applied for a cutting speed of 16 m per minute and feed speeds between 250 and 425 mm per minute for a diameter of 6 mm. As in previous tests, no delamination effect was observed on the drilled materials and the wear resistance of the tools is satisfactory.

Pour certaines applications particulières, on peut envisager une variante de réalisation de l'outil avec alésoir intégré. For certain particular applications, it is possible to envisage an alternative embodiment of the tool with integrated reamer.

Pour une géométrie d'outil analogue à celle qui a été décrite en référence aux figures 5 à 7, la partie alésée 19 peut comporter des éléments de coupe rapportés, par exemple des éléments 26 en diamant polycristallin, rapportés par brasage, tels que représentés sur la figure 8. Cette définition améliore sensiblement le comportement à l'usure de l'outil. For a tool geometry similar to that which has been described with reference to FIGS. 5 to 7, the bored part 19 may include added cutting elements, for example elements 26 of polycrystalline diamond, added by brazing, as shown on Figure 8. This definition significantly improves the wear behavior of the tool.

Claims

1. Drilling tool, in particular intended for drilling composite materials with an organic matrix, characterized in that it comprises two lips (3,4) joined by a thin core (5), a point (6; 16) whose angle a at the top is close to sixty degrees and at least one part (7; 18) having a taper between five and ten degrees, the helix angle h of said cutting lips being between eight and twelve degrees.

2. drilling tool according to claim 1 wherein the conical part (7) is located between the tool tip (6) and a cylindrical part (8) for calibration and has cutting edges arranged in a helix.

3. Drilling tool according to claim 1 wherein the piercing part is associated with a reamer part.

4. A drilling tool according to claim 3, in which the working part (12) of the tool consists of an end point (16), of a cylindrical piercing part (17) with cutting edges arranged in a helix, a reamer part (18) of conical shape and a cylindrical reamer part (19) for calibration.

5. Drilling tool according to claim 4 wherein the cylindrical reamer part (19) comprises cutting elements (26) reported.