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PERFECTIONNEMENTS REBATIES A UN PROCEDE D'USINAGE .DE METAUX
FERREUX.
(ayant fait l objet d'une demande de brevet déposée aux E.U.A. le 30 juin 1950, non encore accordée à ce jour au nom de T.S. See - déclaration de la déposante.
La présente invention se rapporte à des procédés nouveaux et perfectionnés d'usinage ou de fraisage de pièces à travailler ferreuses, et elle se rapporte plus particulièrement à des procédés pour fraiser de l'a- cier à des vitesses qui dépassent de loin celles considérées possibles jusqu'à présent,, tout en maintenant une durée raisonnable d'utilisation de la fraise ; a pour objet des procédés nouveaux et pratiques de ce genre.
La présente invention se rapporte à un procédé d'usinage de mé- taux ferreux, procédé qui consiste; à amener une série continue de dents de coupe écartées de 12,7 mm au moins successivement en contact avec une pièce à travailler en métal ferreux, à une vitesse de déplacement des dents dépassant,300 m/mn; à maintenir au moins deux de ces dents appliquées contre la pièce à travailler pendant toute la durée de l'opération de fraisage, afin de réduire ainsi au minimum la vibration de chaque dent pendant que les dents sont en contact avec la pièce à travailler;
enfin, à déplacer la piè- ce à travailler et la denture l'une par rapport à l'autre à une vitesse d' avance dépassant suffisamment 2,28 m/mn pour produire une épaisseur de co- peaux effective continue pour toutes ces dents pendant qu'elles sont appli- quées contre la pièce à travailler, afin de réduire ainsi au minimum l'usu- re et l'échauffement de ces dents par suite de leur entrée en contact avec la pièce à travailler.
Dans la technique de l'enlèvement du métal et, en particulier, lors de l'usinage ou du fraisage de pièces à travailler ferreuses, on con- sidérait jusqu'alors qu'il était difficile, sinôn impossible au point de vue économique, de faire travailler les fraises par rapport à la pièce à travailler à des vitesses aussi élevées que celles qui seraient désirables, en raison de la détérioration ou de l'usure anormales des fraises après des
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périodes d'utilisation relativement courtes à ces vitesses élevées.
Au point de vue industriel, l'intérêt réside surtout dans la ca- dence à laquelle on peut usiner la pièce à travailler sans, bien entendu, abréger la durée d'utilisation de la fraise ou, en d'autres termes, dans le nombre maximum de mètres par minute dont la pièce à travailler et la fraise peuvent se déplacer l'une par rapport à l'autre pendant que le métal est enlevé de la pièce à travailler, tout en conservant sa durée maximum à la fraise. La vitesse d'enlèvement du métal (que l'on donnera par la suite en m/mn ou que l'on désignera par le facteur R) a servi de base pour com- parer des techniques d'enlèvement du métal et est le produit de l'épaisseur de copeaux ou hauteur des dents, du nombre de dents de la fraise et de la vitesse de rotation (t.p.m.) de la fraise.
Toutefois, le facteur R ne re- flète pas exactement les mérites relatifs des techniques de coupe, étant donné qu'il ne comporte pas la durée de la fraise, c'est-à-dire du temps pendant lequel la fraise peut être utilisée sans être réaffûtée ou rempla- cée. Afin de faire une comparaison précise, on se référera à ce que l'on désignera par facteur RL qui est le résultat du produit de la vitesse d'en- lèvement du métal au facteur R et de la durée de l'outil entre les affûta- ges.
Il faut remarquer que le facteur RL donne ainsi une mesure pré- cise non pas de la vitesse à laquelle le métal est enlevé ou de la vitesse à laquelle on peut déplacer la pièce à travailler sur la machine pendant une certaine période de temps courte ou anormale au cours de laquelle une usure anormale ou même de la détérioration de l'outil ou de la fraise peu- vent se produire, mais de la vitesse à laquelle on peut effectuer les opé- rations d'usinage sur une base de production de longue durée, tout en assu- rant une durée adéquate à l'outil.
Bien qu'il soit facilement compréhensible que l'on peut augmen- ter théoriquement le facteur RL en augmentant simplement l'un des facteurs à partir desquels on le détermine, c'est-à-dire la charge de copeaux, le nombre de tours par minute, ou le nombre de dents, on n'a pas constaté jus- qu'ici qu'il était possible de le faire sans diminuer la durée de la fraise ou le temps séparant les affûtages à un degré tel qu'il en résulte une dimi- nution plutôt qu'une augmentation du facteur RL. En outre, on a pensé anté- rieurement que les trois facteurs qui donnent le nombre de mètres par minute ou facteur R étaient soumis à des limitations déterminées empêchant toute augmentation au-delà des maxima acceptés couramment.
L'épaisseur des co- peaux, par exemple, avait des valeurs limites maximum et minimum déterminées par la matière de coupe, étant donné qu'une hauteur de dent ou une épaisseur de copeaux trop faible se traduit par une action abrasive provoquant une usure et un échauffement exagérés de l'élément de coupe, tandis qu'une épais- seur de copeaux trop grande a pour résultat des forces de compression exces- sives qui détériorent les dents de coupe.
De même, on a considéré jusqu'ici que le nombre de tours par minute de la fraise ou outil était limité par la vitesse linéaire superfi- cielle permissible, c'est-à-dire le nombre de mètres par minute parcourus par les dents ou les éléments de coupe qui est déterminé par l'aptitude de l'élément de coupe à venir en contact avec la pièce à travailler particu- lière et d'en enlever du métal tout en conservant des conditions de coupe satisfaisantes pendant des durées d'utilisation raisonnables. On supposait, antérieurement, que cette aptitude de l'élément de coupe dépendait surtout de la durée de la pièce à travailler, du type de la fraise et des éléments de coupe en ce qui concernait l'angle de coupe et l'angle de dépouille, et de la matière dont l'élément de coupe était formé.
Le nombre de dents utilisé, bien que n'étant pas sévèrement li- mité n'a pas été augmenté jusqu'ici au-delà des normes classiques acceptées couramment, par suite des frais entraînés par la producticn initiale des fraises de remplacement en une seule pièce dans lesquelles le corps entier de la fraise ainsi que les dents de coupe sont formés de plusieurs matières
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de coupe relativement coûteuses et par suite des difficultés mécaniques pour fixer un nombre de dents de coupe ou d'éléments de coupe, supérieur au nombre classique, sur la surface d'un corps de fraise fait en une matiè- re plus tendre et moins coûteuses au moyen de coins, de vis ou de moyens de fixation mécaniques similaires.
Le procédé qui consiste à braser les éléments de coupe ou dents sur le corps de la fraise, tout en permettant de prévoir un plus grand nombre de dents par centimètre de circonférence, n'a pas été utilisé sur une grande échelle jusqu'à maintenant pour la raison que, comme avec la fraise monobloc, une fraise de-ce genre est coûteuse à entretenir e.t que, en ce qui concerne les dents ou éléments de coupe en carbure, le brasage de ces éléments en carbure sur un corps ou une matrice en acier détruit une grande partie de l'efficacité du carbure au point de vue de la coupe.
Bien que l'on ait proposé antérieurement de monter les éléments de coupe dans un noyau en matière plastique organique ou en alliage à bas point de fusion formant le corps de la fraise, on n'a pas essayé de réali- ser des pièces présentant ces caractéristiques pour augmenter le nombre de dents par centimètre dans le but d'augmenter la vitesse permissible d'utili- sation. En fait;, la littérature met en évidence une tendance marquée de la technique à diminuer le nombre de dents. A ce sujet, il faut consulter l'article intitulé "Tools and Methods for High Speed Machining, Tool Engineer, Avril 1943 (pp. 81-83.).
Les vitesses linéaires superficielles maxima que l'on utilise présentement avec les aciers de coupe, tout en utilisant un acier à outil rapide pour l'élément de coupe sont voisines de 12,160 m à 22,800 m par minute. Cela signifie qu'avec une fraise de 101 mm de diamètre, le nombre de tours par minute de la fraise, pour une vitesse linéaire superficielle par minute maximum, sera approximativement de 75 tours par minute Une fraise classique de ce diamètre ayant un pas de 25,4 mm, ce qui se trouve voisin du pas minimum prévu dans la pratique classique, comporterait alors douze dents, et si l'on utilise une hauteur de dent moyenne de 1,225 mm. la vitesse d'avance est d'approximativement 0,114 m par minute.
Lorsque l'on utilise des éléments ou des dents de coupe en car- bure, montés de manière conventionnelle sur une partie centrale ou moyeu, on augmente avec succès les divers facteurs qui déterminent le nombre de centimètres enlevés par minute en facteur R sans diminuer la durée de la fraise, ni réduire le facteur RL, mais ces augmentations, bien qu'elles se traduisent par une légère augmentation du facteur RL, sont faibles par rapport à celles obtenues en mettant en oeuvre les procédés de la présente invention. Ainsi, on a constaté que la vitesse linéaire superficielle des fraises en carbure, qu'on utilise sur de l'acier ou de la fonte, est com- prise entre 76 et 304 mètres par minute et est ordinairement voisine de 152 mètres par minute.
Les vitesses de la gamme la plus élevée, c'est-à- dire celles comprises entre 150 et 300 mètres par minute sont rarement uti- . lisées dans l'industrie. L'utilisation de la même dimension de fraise et du même pas que dans l'exemple précédent au sujet de l'utilisation de frai- ses en acier à outil rapide, mais en augmentant l'épaisseur des copeaux à 2,032 mm. permet l'utilisation de fraises ayant des dents en carbure à une vitesse d'avance de 1,21 mètre par minute.
Il est bien connu que l'un des facteurs principaux qui diminuent la durée d'un outil de coupe est le facteur de vibration que l'on rencontre dans tous les types antérieurs connus de fraises. Les vibrations qui se produisent dans les dents ou éléments'de coupe sont de deux sortes (a) les vibrations forcées produites par les contacts successifs des dents de coupe avec la pièce et par les irrégularités de la force communiquée à la fraise par le dispositif d'entraînement; (b) les vibrations engendrées par elles-mêmes ou inhérentes qui sont dues à la fréquence naturelle de l'élé- ment ou dent de coupe et au mécanisme utilisé pour supporter l'élément ou dent sur le corps de la fraise.
Les vibrations inhérentes sont les plus
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nuisibles et, avec les vibrations forcées, provoquent une usure et un échauf- fement excessifs des éléments de coupe si la fraise est utilisée à des vites- ses qui dépassent les maxima établis -auparavant.
Pour rester à un niveau de production élevé, les vitesses d'a- vance relativement lentes, que l'on considérait jusqu'ici comme étant les vitesses maxima possibles que l'on pouvait utiliser tout en conservant une durée d'utilisation satisfaisante à l'outil, entraînaient manifestement la dépense du fraisage de métaux ferreux ou d'opérations similaires d'enlèvement du métal, dépense due au grand nombre de machines et au grand nombre d'heu- res d'ouvriers qui sont nécessaires pour obtenir une production continue élevée. Par suite, l'invention a encore pour objet des procédés nouveaux d'usinage de pièces de travail ferreuses, procédés dans lesquels, il est possible d'augmenter les vitesses d'avance des pièces à travailler a un de- gré beaucoup plus grand que cela n'avait été possible jusqu'à présent.
Un autre objet encore de l'invention est constitué par des pro- cédés nouveaux d'usinage de matière ferreuse dans lesquels on utilise une fraise comportant des dents de coupe en carbure montées sur le corps de la fraise, de manière à réduire les vibrations au minimum et ayant un pas prédéterminé minimum de manière à en permettre l'utilisation à des vitesses linéaires superficielles que l'on croyait impossibles jusqu'à présent.
L'invention a en outre pour objet des procédés d'usinage de ma- tières ferreuses, procédés dans lesquels la pièce à travailler se déplace à une vitesse d'avance dépassant de beaucoup celle utilisée jusqu'ici.
L'invention a également pour objet des procédés nouveaux d'usi- nage de matières ferreuses dans lesquels des fraises ayant un pas inférieur à 12,5 mm sont mises en rotation pour venir en contact de coupe avec les pièces à travailler à des vitesses beaucoup plus grandes que celles utili- sées jusqu'ici tout en conservant encore une durée d'utilisation satisfai- sante de la fraise.
Lors de l'usinage de pièces à travailler ferreuses conformément à la présente invention, les fraises sont utilisées à des vitesses linéai- res superficielles dépassant de beaucoup tout ce que l'on avait cru possi- ble jusqu'ici; elles sont pourvues d'un nombre de dents de coupe largement augmenté grâce à l'utilisation d'un entredent ou pas beaucoup plus faible que celui que l'on supposait réalisable auparavant; enfin, elles sont con- struites de manière à éliminer les vibrations des dents que, jusqu'ici, on supposait inévitables.
En conséquence, en combinant ces facteurs et en utilisant des vitesses d'avance de la pièce à travailler mis en corrélation avec les vitesses linéaires superficielles augmentées et avec un pas de dent minimum, de manière à conserver une épaisseur de copeaux appropriée, on peut effectuer une opération d'usinage à des vitesses extraordinaire- ment élevées sans réduire ou raccourcir la durée de la fraise.
On obtient un certain nombre de résultats avantageux en utili- sant des fraises construites de manière convenable ayant un pas de dent minimum, à des vitesses périphériques élevées et en maintenant une épais- seur de copeaux convenable. Etant donné qu'avec un pas de dent minimum, il y aura toujours au moins une dent et, le plus souvent plusieurs dents, en contact à tous moments avec la pièce à travailler, il se produit une action de stabilisation qui tend à réduire ou à supprimer le broutage, et, en donnant à la fraise soit une structure monobloc, soit une structure dans laquelle l'élément ou les dents de coupe sont montés dans une matière rela- tivement inerte ou non élastique, on supprime les vibrations que l'on rencon- trait jusqu'ici dans les opérations d'usinage.
L'élimination des vibrations contribue sensiblement à réduire la quantité de chaleur engendrée pendant le déplacement de chaque dent sur la pièce à travailler et, en outre, la chaleur engendrée est réduite au minimum par suite du laps de temps très court pendant lequel chaque dent reste en contact avec la pièce, quand on
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le compare aux intervalles de temps séparant les venues en contact succes- sives de la même dent avec la pièce à travailler.
Le maintien d'une épais- seur de copeaux appropriée par la mise en corrélation de la vitesse linéai- re superficielle et de la vitesse d'avance, outre qu'il réduit au minimum l'usure exercée sur les dents ou le broyage des dents, est également effi- cace pour réduire l'échauffement des dents de coupe, étant donné que pres- que toute la, chaleur engendrée est dissipée de la dent par les copeaux, les dents constituant des conducteurs de chaleur relativement médiocres, quand elles sont en carbure.
Afin de mieux comprendre l'invention, on va se référer au des- sin annexé,, sur lequel la fige 1 est une vue en élévation latérale de gauche représen- tant schématiquement l'une des dispositions que l'on peut utiliser pour mettre en oeuvre les procédés de la présente invention la fig. 2 est une vue similaire en élévation de face représen- tant schématiquement la disposition de la fig. 1; la fig. 3 est une vue partielle à grande échelle de l'une des fraises représentées sur les fig. 1 et 2; la fig. 4 est une vue en bout en élévation du corps ou matrice utilisé pour réaliser d'autres types de fraises que l'on peut utiliser pour mettre en oeuvre les procédés conformes à la présente invention ; la fig. 5 est une élévation latérale, partiellement en coupe, du corps ou matrice représenté sur la fig. 4;
la fig. 6 est une vue fragmentaire de détail à échelle quelque peu plus grande d'une partie du corps de fraise représenté sur la fig. 4, cette vue représentant les éléments ou les dents de coupe qui y sont montés; la fig. 7 est une vue en plan fragmentaire d'une partie de la fraise représentée sur la fige 6 ; les fig. 8 et 9 sont des représentations schématiques de la manière dont plusieurs des dents de fraise viennent en contact avec la piè- ce à travailler lors de la mise en oeuvre des procédés conformes à la pré- sente invention.
Les fig. 1, 2 et 3 du dessin représentent schématiquement une des dispositions utilisant des fraises périphériques ou des fraises à dres- ser ou à surfacer pour mettre en oeuvre des opérations d'usinage à vitesse élevée conformes aux procédés de la présente invention. L'appareil parti- culier représenté comporte plusieurs fraises 10 et 11 montées sur des ar- bres 12 et 13 qui peuvent être entraînés de manière à faire tourner les fraises de la manière indiquée par les flèches 14 et 15, afin que les dents montées sur les fraises viennent porter sur la pièce à travailler 16, que l'on a représentée sous la forme d'une barre ronde.
Les fraises 10 et 11 ainsi que les arbres 12 et 13, tournent tout d'une pièce autour de l'axe de la pièce à travailler, de la manière indiquée par les flèches 17, et la pièce à travailler 16, qui est immobilisée contre toute rotation, avance longitudinalement entre les fraises, de la manière indiquée par la flèche 18 de la fig. 2.
Bien que les fraises représentées sur les fie. 1 et 2 aient la forme de fraises périphériques ou fraises à surfacer, il est bien enten- du que l'on peut en utiliser d'autres types tels que par exemple des frai- ses latérales ou des fraises de forme et on comprendra également que l'on peut mettre en oeuvre les procédés objet de l'invention avec une grande variété de dispositions autres que celles représentées schématiquement.
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Par exemple, au lieu de faire tourner les fraises et leurs arbres tout d'une pièce autour de la pièce à travailler, on peut empêcher les axes des arbres 12 et 13 de tourner et on peut faire tourner la pièce à travailler 16 au fur et à mesure qu'elle avance entre les fraises 10 et 11.
La fraise particulière représentée sur les fig. 1, 2 et 3 est de construction monobloc et elle comporte plusieurs dents de coupe 19 qui sont taillées dans la face cylindrique extérieure de la fraise, et l'on comprendra que les fraises 10 et 11 peuvent être formées à partir d'une masse pleine en acier rapide pour outil ou à partir d'une masse de matière en carbure comme le carbure de tungstène, le carbure de titane et de tung- stène ou être d'autres fraises en carbure obtenu par la métallurgie des poudres, telles que celles qui sont communément connues et utilisées dans la technique de l'enlèvement du métal.
Les fraises 10 et 11 comportent un nombre de dents de coupe maximum ou proche de ce maximum, présentant un pas minimum ou voisin de ce minimum; les dents 19 peuvent avoir la forme de lignes rectilignes s'éten- dant parallèlement à l'axe de la fraise, ou, comme on l'a représenté, el- les peuvent prendre, de préférence, la forme d'une ligne en hélice s'enrou- lant autour de la fraise cylindrique, de la manière bien connue dans la tech- nique.
Evidemment, le pas des dents de coupe peut varier, suivant la dimen- sion de la fraise et les caractéristiques de la matière à fraiser, mais lors- qu'on met en oeuvre les procédés de la présente invention, le pas des dents doit se trouver compris entre 0,39 et 12,7 mm et, de préférence, entre 3,17 et 6,34 mm, chaque arête ou dent de coupe peut être taillée ou formée à la configuration désirée pour permettre d'obtenir une certaine dépouille, con- formément aux pratiques bien connues de la technique, et la hauteur de la dent peut également varier. Un point important à considérer réside dans le fait que l'espace de dépouille des copeaux doit être suffisant pour per- mettre aux copeaux de se former convenablement.
Lors du fonctionnement de l'organisation représentée sur les fig. 1 et 2 pour mettre en oeuvre les procédés de la présente invention, les fraises 10 et 11 sont mises en rotation sur les arbres 12 et 13 à des vitesses suffisantes pour donner une vitesse linéaire superficielle dépas- sant 304 m par minute ; arbres et les fraises tournent comme un tout autour de la pièce 16 à travailler à une vitesse qui dépend à la fois de la longueur des fraises et de la vitesse à laquelle la pièce à travailler avance longitudinalement; ces deux derniers facteurs sont mis en corréla- tion de façon à être certain que les fraises suivent des trajets en hélice autour de la pièce à travailler avec un léger recouvrement (voir fig. 2) afin d'empêcher ce que l'on appelle une "levée" et à être certain que les fraises couvrent la surface entière du corps.
La vitesse à laquelle les fraises tournent tout d'une pièce par rapport à la pièce à travailler est mise en corrélation avec la vitesse linéaire superficielle et le nombre de dents de la fraise de manière à assurer une épaisseur de copeaux ou une hauteur de dent convenables et, par conséquent, si la longueur de la fraise et le nombre de dents sont fixés, la vitesse de rotation des fraises tour- nant tout d'une pièce autour de la pièce à travailler et la vitesse d'avan- ce longitudinale de la pièce sont proportionnelles à la vitesse superficiel- le ou nombre de tours par minute des fraises.
Dans une opération de fraisage classique, les fraises entraînées à une vitesse de 1500 tours par minute environ, ayant un diamètre d'appro- ximativement 101 mm et un pas de 6 mm peuvent être utilisées pour fraiser une barre ronde jusqu'à une profondeur de 0,793 mm, la vitesse d'avance de la barre pendant l'opération de fraisage étant d'approximativement 15,23 m par minute.
Bien que, du point de vue rendement, les fraises monoblocs du type représenté sur les fig. 1 et 2 soient entièrement satisfaisantes pour mettre en oeuvre les procédés conformes à la présente invention, par le fait
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que les dents doivent avoir le pas précis nécessaire et que les vibrations de ces dents sont éliminées, ces fraises, particulièrement si elles sont en carbure, sont relativement coûteuses et, sur les fige 4 à 7, on a repré- senté un type de fraise qui est moins coûteux à construire et à entretenir et qui fonctionne également de manière satisfaisante, quand on met en oeuvre les opérations d'usinage à grande vitesse conformes à la présente invention.
La fraise représentée sur les fig. 4 à 7 est, de même, de type périphérique et comporte un moyeu ou noyau 20 en acier qui est évidé sur la circonférence pour former deux saillies ou nervures circonférentielles écartées 21 et 22. Chacune des saillies 21 et 22 comporte plusieurs fentes espacées 23 que l'on peut fraiser ou pratiquer autrement dans les nervures à tout angle approprié de manière 4 obtenir des dents disposées en hélice comme on le voit particulièrement sur la fig. 7. L'angle des dents formant l'hélice peut varier de zéro à 25 degrés environ, bien que l'angle utilisé communément soit de 18 degrés.
Un angle sensiblement inférieur à 18 degrés peut empêcher, lors du fraisage de certains types de pièces, les venues en contact simultanées multiples des dents, venues en contact qui sont si dé- sirables pour réduire les vibrations forcées, tandis qu'un angle sensible- ment supérieur à 18 degrés augmente de manière superflue les forces latéra- les exercées sur la fraise qui peuvent être indésirables. En tout cas, un angle de dents en hélice sensiblement supéri eur à 18 n'amène pas d'avantage qui compenserait l'augmentation des forces latérales.
Les fentes 23 sont disposées à égale distance sur la périphérie du corps de fraise et sont susceptibles de recevoir les dents de coupe 24 que l'on maintient en place sur le corps de la fraise, comme on l'a expliqué précédemment, en les noyant partiellement dans une masse de matière inerte ou non-élastique telle qu' une matière pastique organique ou des métaux ou alliages à bas point de fu- sion.
Afin de maintenir fermement les dents 24 dans les fentes 23, le corps 20 est pourvu de plusieurs trous 25 s'étendant axialement et de plu- sieurs ouvertures 26 s'étendant radialement qui communiqùent avec les trous axiaux 25 et avec l'évidemment circonférentiel prévu entre les nervures 21 et 22. Lorsque les dents ou lames rapportées 24 sont disposées dans les fen- tes 23, on peut placer l'ensemble dans un moule approprié dans le quel la matière plastique indiquée en 27 sur la fig. 6 est introduite de force dans les ouvertures 25 et 26 et dans les fentes 23 et dans l'espace compris entre les nervures 21 et 22, de manière à entourer et à emboîter complète- ment les dents de coupe.
Lorsque l'opération de moulage est terminée, la matière plasti- que 27 est d'abord meulée et enlevée partiellement de la face de coupe de chaque dent, de manière à constituer un espace de dépouille des copeaux ap- proprié (fig. 6) et les lames ou dents elles-mêmes sont meulées ensuite d' abord sur la périphérie, puis sur la face de coupe pour constituer la frai- se terminée. La fraise particulière représentée sur les fige 4 à 7 a un diamètre de 304 mm et comporte 150 dents ou lames de coupe, ce qui assure un pas d'environ 6,34 mm. On peut évidemment augmenter ou diminuer le nom- bre des dents de manière à obtenir un pas des dents compris entre-1,58 mm et 12,7 mm, suivant les besoins.
Comme on l'a dit auparavant, le pas des dents à utiliser confor- mément à la présente invention est choisi de manière à donner la certitude que plusieurs dents sont en contact avec la pièce à travailler à tous mo- ments, et on comprend que le nombre de dents exact qui se trouve ainsi en contact avec la pièce à travailler à tout moment dépend du diamètre de la fraise, du diamètre de la pièce à travailler, dans le cas de barres rondes, ou de l'épaisseur de la pièce à travailler quand ou la dresse, enfin de la profondeur de la passe à faire. Sur les fig. 8 et 9, on a représenté deux exemples typiques. La fraise et les dents représentées schématiquement par la ligne 28 de la fig. 8 représentent une fraise de 203 mm de diamètre et ayant un entredent de 6,34 mm utilisé pour effectuer une passe d'une profondeur de 3,17 mm dans une barre 29 de 25,4 mm.
Dans ces conditions,
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il y a trois dents en contact avec la pièce à travailler à tous moments, ce qui permet d'obtenir l'action de stabilisation mentionnée précédemment dans le but de réduire au minimum la vibration des dents. Dans l'exemple représenté sur la fig. 9, la même fraise est représentée schématiquement par la ligne 28, la passe est de 3,17 mm, la barre à 50 mm et, dans ce cas, il y a quatre dents en contact avec la pièce à travailler à tous moments Lors du travail avec cette fraise sur une barre de 101 mm, il y aura cinq dents en contact avec la pièce à travailler à tout moment de l'opération de coupe.
Lors de la mise en oeuvre des procédés de la présente invention en utilisant la fraise représentée sur les fig. 4 à 7, une vitesse linéaire superficielle de 457 m. par minute est entièrement possible et est peut-être faible. Une vitesse linéaire superficielle de 457 m par minute nécessite environ 500 tours par minute de la fraise.et pour 150 dents ayant une hau- teur de dent de 0,0012 mm, la vitesse d'avance est de 4,445 m. par minute.
Ce nombre est beaucoup plus grand que le nombre de 60-90 tours par minute que l'on mettait en pratique jusqu'ici, et étant donné que la durée de 1' outil (ou l'intervalle séparant les affûtages) est également améliorée, on obtient une amélioration beaucoup plus grande du facteur RL. Par exemple, l'amélioration du facteur R, qui peut être évalué à 75 dans la mise en oeuvre conforme à l'invention, est d'approximativement 500%, mais étant donné que la durée de l'outil augmente de quatre fois environ, comme l'ont mis en évidence des essais, il est évident que le facteur RL s'accroît de 2000% quand on met en oeuvre les procédés de la présente invention.
En outre, on a constaté qu'il était possible que des fraises, pourvues de dents en carbure disposées et montées de la manière décrite, aient une vitesse linéaire superficielle de 1.824 m par minute. Ceci abou- tit à une rotation de 2. 000 tours par minute et une vitesse d'avance aug- mentée qui est de 38,10 m par minute.
Bien qu'aucune fraiseuse réalisée actuellement ne puisse at- teindre cette vitesse d'avance, on a fait des essais réels sur une fraise périphérique ayant un diamètre de 101 mm et comportant 50 lames pleines en carbure encastrées dans la matière plastique. Cette fraise d'essai était appliquée au fraisage d'un alliage de fonte et de vanadium ayant une dureté Brinell de 220. La pièce à travailler avait 25,4 mm environ de lar- geur sur la surface à fraiser et avait 1219 mm de longueur. La broche porte-fraise exécute 1462 tours par minute. Ainsi, la vitesse superficiel- le linéaire de cette fraise périphérique de 101 mm de diamètre est de 457 m par minute.
La machine sur laquelle on procède à l'essai est une fraise du type "Sundstrand No. 33 Rigidmil" ayant un moteur de 25 cv. La table d'avance de la machine a ordinairement une vitesse d'avance allant jusqu'à 1905 mm par minute ainsi qu'une avance transversale rapide de 70,20 m par minute. La vis de la table est désaccouplée de la source d'énergie et entraînée par un moteur distinct faisant 1200 tours par minute. La vis de la table a une avance de 12,7 mm, ce qui permet à la table de se dé- placer de 15,240 m par minute à la pleine vitesse du moteur. Il n'est pas possible de faire une passe supérieure à 0,762 mm, étant donné que la puissance disponible est quelquefois inférieure à 25 cv.
Dans ces conditions, l'utilisation d'une vitesse superficielle de 457 m par minute et pour une vitesse d'avance de la table de 15,240 m par minute, est excel- lente, et les résultats, y compris une formation de copeaux très efficace ainsi qu'un surfaçage résultant, sont supérieurs à ceux de n'importe quel autre procédé d'enlèvement de métal. Le temps nécessaire pour parcourir la longueur de 1,219 m de la pièce à travailler est de 4 secondes, ce qui indique que la vitesse d'avance du banc est légèrement supérieure à 15, 240 m par minute.
Si on compare l'essai précédent à une passe de fraisage typique faite sur la même matière en utilisant une fraise en acier rapide, on con- @
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state que la vitesse linéaire superficielle de l'acier rapide ne devrait pas être supérieure à 15,230 m par minute. Le nombre de tours de la broche de la fraise devrait descendre à 46 tours par minute. La fraise en acier ayant un diamètre de 101 mm ne devrait pas avoir plus de douze dents, ni prendre une épaisseur de copeaux supérieure à 0,1270 mm, ce qui donne une vitesse d'avance de 0,070 m par minute.
Même si l'on utilise une fraise monobloc de 101 mm de diamètre faite en acier rapide et ayant le même pas que la fraise en carbure avec laquelle on a procédé à l'essai, la vitesse d'avance de la table, avec la même épaisseur de copeaux de 0,1270 mm, sera de 0,304 m par minute.
Cet essai peut encore être comparé à celui effectué avec une fraise en car- bure de modèle courant dans laquelle les dents en carbure sont maintenues mécaniquement par des coins. Dans une fraise de 101 mm de ce genre,il y aurait un nombre maximum de 8 dents. En utilisant alors la même épaisseur de copeaux qu'avec l'acier rapide, mais avec une vitesse linéaire de 152 m, la vitesse d'avance doit être de 0,457 m par minute. On peut utiliser une épaisseur de copeaux plus grande avec du carbure et si on l'augmente pour la faire passer à 0,254 mm, la vitesse d'avance devra alors augmen- ter jusqu'à 0,914 mm par minute. En tout cas, elle ne pourrait augmenter jusqu'à la vitesse de 15,230 m/mn rencontrée lors de l'essai.
On a effectué un second essai avec la fraise périphérique de 101 mm comportant 50 dents en carbure, sur la même machine, mais en utili- sant un acier standard SAE 1020 comme pièce à travailler. Toutes les au- tres conditions restaient les mêmes, y compris l'épaisseur des copeaux, la vitesse superficielle linéaire et la vitesse d'avance de la table de 15,230 m par minute; les résultats obtenus étaient encore excellents, tant du point de vue du fini que de celui de la précision.
Dans tous les cas, une autre considération réside, lors de l'aug- mentation de la vitesse d'avance de la table, dans la quantité d'énergie qui peut être fournie à une machine-outil donnée. On ne peut augmenter l'épaisseur des copeaux dans les limites de la fraise que jusqu'à la limi- te de la quantité d'énergie disponible. La encore, il est important de noter que le procédé de fraisage ainsi que la fraise utilisée, tous deux faisant l'objet de la présente invention, demandent moins d'énergie pour une hauteur de dent donnée que celle qui était nécessaire jusqu'ici. L'é- nergie demandée par une opération d'usinage est désignée habituellement sous le nom de facteur K qui correspond au nombre de CV consommés par 16 cm3 de métal enlevé par minute.
Il est évident que, plus le facteur K est faible, plus sont grands les avantages donnés par un procédé ou une techni- que donnés de fraisage, parce qu'un plus grand nombre de fractions de 16 cm3 de métal peut être enlevé en une minute, avec une quantité donnée d'é- nergie disponible.
Les tableaux suivants permettent de comparer ces facteurs K avec divers métaux sous les conditions de la technique actuelle et avec le procédé et la fraise conformes à l'invention.
Facteur K pour l'acier
EMI9.1
<tb> Chiffre
<tb> de <SEP> dureté <SEP> Facteur <SEP> K <SEP> Facteur <SEP> K <SEP> Facteur <SEP> K
<tb> Brinell <SEP> CV/16 <SEP> cm3/min. <SEP> CV/16 <SEP> cm3/min. <SEP> CV/16 <SEP> cm3/min.
<tb>
<tb>
Technique <SEP> actuelle <SEP> Technique <SEP> conforme <SEP> à
<tb> l'invention
<tb>
<tb> A <SEP> B <SEP> C
<tb>
<tb> 100 <SEP> 0,8 <SEP> 1, <SEP> 25 <SEP> 0,3.
<tb>
150 <SEP> 0,7 <SEP> 1,43 <SEP> 0,35
<tb>
<Desc/Clms Page number 10>
EMI10.1
<tb> 200 <SEP> 0, <SEP> 65 <SEP> 1,5 <SEP> 0,4
<tb>
<tb> 250 <SEP> 0,6 <SEP> 1,66 <SEP> 0,5
<tb>
<tb> 300 <SEP> 0,55 <SEP> 1,88 <SEP> 0, <SEP> 6 <SEP>
<tb>
<tb> 400 <SEP> 0,5 <SEP> 2,0 <SEP> 0,75
<tb>
Le tableau ci-dessus est extrait de la publication "American 14achinist Handbook", Ed. 1945, page 389. La colonne située à l'extrême gauche indique le chiffre de dureté Brinell pour un acier donné. La co- lonne A indique le facteur K d'un acier donné en fonction des fractions de 16 cm3 de métal enlevé par minute et par CV.
Le facteur K dont il est question dans la présente invention est exprimé en CV par 16 cm3 et par minute; par suite, la réciproque de la colonne A doit être utilisée pour déterminer le facteur K correspondant en question. Ceci est établi dans la colonne B et indique le. facteur K nécessaire dans les procédés et avec les phases actuellement connus. Dans la colonne C, on a indiqué le fac- teur K correspondant en CV par fraction de 16 cm3 et par minute nécessaire quand on utilise les procédés conformes à l'invention.
Le tableau suivant reproduit.une partie du Tableau 8 de la page 1817 de la publication "Mechanical Engineer's Handbook" de Mark, Ed. 1941 La première colonne mentionne le facteur K trouvé quand on utilise les pro- cédés et les fraises connus jusqu'à ce jour pour les matières indiquées.
La seconde colonne indique le facteur K correspondant quand on utilise les procédés présentant les caractéristiques objet de l'invention.
EMI10.2
<tb>
Métal <SEP> Facteur <SEP> K <SEP> du <SEP> Facteur <SEP> K <SEP> avec <SEP> le <SEP> proprocédé <SEP> actuel <SEP> cédé <SEP> conforme <SEP> à <SEP> l'invention
<tb>
<tb> Fonte <SEP> (dure) <SEP> 0,7 <SEP> 0,35
<tb> SAE <SEP> 1112 <SEP> étiré <SEP> à <SEP> froid <SEP> 1,05 <SEP> 0,3
<tb> Acier <SEP> inoxydable <SEP> 1,2 <SEP> 0,33
<tb> SAE <SEP> 1020 <SEP> forgé <SEP> 1,25 <SEP> 0,4
<tb> SAE <SEP> 2345 <SEP> forgé <SEP> 1,25 <SEP> 0,4
<tb>
D'après les tableaux qui précèdent, il est évident que l'éner- gie nécessaire pour enlever une quantité donnée de métal avec le procédé et dans les conditions de la présente invention est diminuée dans une grande mesure, ce qui permet l'enlèvement d'une plus grande quantité de métal, exprimée en cm3 par minute, avec toute quantité donnée d'énergie.
Le nombre de CV nécessaire pour enlever du métal dépend de la vitesse en cm3 par minute à laquelle le métal est usiné ou enlevé.
La vitesse en cm3 par minute dépend de trois facteurs, à savoir la largeur de la passe, la profondeur de la passe et la vitesse d'avance. Comme on l'a fait remarquer précédemment, la vitesse d'avance est le produit de la hauteur de dent par le nombre de dents de la fraise et par le nombre de tours/min, de la broche. Ainsi, en changeant la largeur de la passe, la profondeur de la passe ou la hauteur de dents, la puissance en CV variera.
Pour déterminer ces facteurs K pour diverses matières, on a procédé à des essais sur une fraiseuse du type "Sundstrand Rigidmil" à grande vitesse de 25 CV, spécialement équipée pour des vitesses d'a- vance de la table élevées. La fraise avait 203 mm de diamètre et com- portait 70 lames en carbure montées dans une matière plastique confor- mément à l'invention. Comme auparavant, la machine était modifiée pour porter la vitesse d'avance à 15,230 m/min. Les barres d'essai uti- lisées étaient en acier "Stressproof " SAE 1020 et en Meehanite. Ces barres avaient 25,4 mm de largeur, 101 mm d'épaisseur et 1016 mm de long.
On avait choisi une vitesse de broche de 1462 tours par minu- te et une vitesse d'avance de 15,340 m/min., ce qui donnait une épaisseur
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de copeaux légèrement supérieure à 0,127 mmo La profondeur de passe était de 1,270 mm et, conformément à la formule donnée précédemment ser- vant à déterminer le nombre de cm3/minute de métal enlevé, on a déter- miné ce dernier à 480 cm3.
Etant donné que le nombre de CV dont la fraise peut disposer pour cette série d'essais était de 20 environ et que la quantité de métal enlevé était de 480 cm3/min., le facteur K était approximativement de 0,67. Ceci revient à dire que le facteur K était inférieur à 1 CV/16 cm3/min. Lorsque l'on utilise des fraises ou des éléments de coupe en acier rapide, le fac- teur K est 2 pour des aciers normaux (dureté Brinell de 180 à 200). Le' facteur K, pour la technique des carbures traditionnelle est de 1,25, tandis que pour le procédé utilisé dans l'invention dont il constitue un objet, il est situé au voisinage de 0,5. Avec les fontes, le facteur K, en utili- sant des aciers rapides, est dé 1,5 approximativement.
Dans la technique courante des carbures, le facteur K est de 0,6, tandis que dans le procédé conforme à l'invention utilisant du carbure rapide, il est de 3.
Il n'y a rien dans le présent procédé et dans le modèle de la fraise qui limite la profondeur de passe. La seule restriction réside dans le fait que des puissances relativement faibles en CV sont disponi- bles dans les broches modernes, même si l'on considère celles dont la puissance en CV est la plus élevée. Si l'énergie disponible est de 100 CV, la profondeur de passe augmentera alors rapidement jusqu'à 4,572 mm environ.
On obtient ce chiffre en multipliant la largeur de coupe de 25,4 mm par la profondeur de passe de 4,572 mm et par la vitesse d'avance de 15,230 m/min., ce qui équivaut à 1728 cm3 de métal enlevé par minute. Ceci demande une puissance légèrement inférieure à 100 CV pour l'acier et d'approximativement 40 CV pour la fonte. Les essais précédents montrent que les résultats donnés par le procédé et la fraise utilisés sont excellents quant à l'enlè- vement de métal.
Il résulte des données précédentes que le procédé nouveau et perfectionné d'usinage d'une pièce à travailler conformément à la présente invention, comporte la possibilité d'augmenter, d'au moins dix fois, les vitesses d'avances que l'on pouvait obtenir jusqu'ici avec les techniques et les fraises existantes et d'augmenter en même temps le facteur RL de quarante fois. En résumé, on peut dire que les vitesses'linéaires super- ficielles sur des matières ferreuses avec des fraises dont les éléments de coupe sont en carbure, jusqu'à maintenant, dépassaient, mais rarement, 152 m/min., mais ont rarement dépassé 304 m/min.
Conformément à la présen- te invention, cette vitesse linéaire superficielle est actuellement aug- mentée jusqu'à 761 m/min., étant entendu qu'une vitesse de 30. 000 ou 60. 000 m/min., selon la construction de la machine, n'est pas exagérée.
On mentionne cette dernière vitesse parce que, lors des essais, la fraise a tourné à une vitesse réduite au quart en raison des limitations de vi- tesse d'avance de la machine. En outre, le type de la fraise et les pro- cédés envisagés permettent d'augmenter la vitesse d'avance de la pièce à travailler de la vitesse habituelle maximum de 18,28 m/min. à celle d'au moins 182,8 m/min. tout en augmentant la durée de la fraise et en augmen- tant par suite, dans une grande mesure, le facteur RL. En outre, les vi- tesses superficielles d'au moins 60,960 m/min, sont indiquées quand il est possible d'obtenir des machines pouvant fonctionner à ces vitesses d'avan- ce élevées.
Le type de la fraise dans lequel les éléments de coupe sont pla- cés dans une matrice en matière plastique amortit les vibrations à un degré tel qu'il est possible d'obtenir des vitesses superficielles linéaires gran- dement accrues, et lorsqu'on monte les éléments de coupe de cette manière il est également possible d'augmenter le nombre de dents par cm de circonfé- rence par rapport à la pratique actuelle. De même, on peut utiliser une plus grande gamme de hauteurs de dents sans endommager la fraise et en ob- tenant un surfaage supérieur du produit fini. Dans la pratique antérieure,
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on considérait que des épaisseurs de copeaux supérieures à 0,127 mm - 0,381 mm n'étaient pas utilisables, en se plaçant au point de vue, soit de la du- rée de l'outil, soit du fini de la surface.
Cependant, lors de la mise en oeuvre de la présente invention, la gamme satisfaisante des hauteurs de dents peut être comprise, selon les facteurs habituels connus, entre 0,025 mm et 0,63 mm.
Bien que l'on ait représenté certaines caractéristiques parti- culières de l'invention, il est bien entendu que l'invention ne s'y limite pas et que l'on peut apporter diverses modifications sans s'écarter pour cela de l'esprit de l'invention.
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IMPROVEMENTS RELATED TO A METAL MACHINING PROCESS
FERROUS.
(having been the subject of a patent application filed in the United States of America on June 30, 1950, not yet granted in the name of T.S. See - declaration by the applicant.
The present invention relates to new and improved methods of machining or milling ferrous workpieces, and more particularly relates to methods of milling steel at speeds which far exceed those considered possible. so far, while maintaining a reasonable duration of use of the cutter; is concerned with new and practical processes of this kind.
The present invention relates to a method of machining ferrous metals, which method comprises; bringing a continuous series of cutting teeth at least 12.7 mm apart successively in contact with a workpiece made of ferrous metal, at a speed of movement of the teeth exceeding 300 m / min; maintaining at least two of these teeth pressed against the workpiece throughout the milling operation, thereby minimizing the vibration of each tooth while the teeth are in contact with the workpiece;
finally, moving the workpiece and the teeth relative to each other at a feed rate sufficiently exceeding 2.28 m / min to produce a continuous effective chip thickness for all of these teeth while they are pressed against the workpiece, thereby to minimize wear and heating of these teeth as a result of their contact with the workpiece.
In the art of removing metal, and in particular when machining or milling ferrous workpieces, it has hitherto been considered difficult, if not economically impossible, to achieve. run the cutters relative to the workpiece at speeds as high as would be desirable, due to abnormal deterioration or wear of the cutters after
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relatively short periods of use at these high speeds.
From an industrial point of view, the interest lies above all in the rate at which the workpiece can be machined without, of course, shortening the useful life of the cutter or, in other words, in the number Maximum meters per minute that the workpiece and the cutter can move relative to each other while metal is being removed from the workpiece, while maintaining its maximum bur time. The metal removal rate (which will be given hereinafter in m / min or referred to by the factor R) was used as a basis for comparing metal removal techniques and is the product the thickness of the chips or height of the teeth, the number of teeth of the cutter and the rotational speed (rpm) of the cutter.
However, the R-factor does not exactly reflect the relative merits of cutting techniques, since it does not include the duration of the bur, that is, the time during which the bur can be used without be resharpened or replaced. In order to make a precise comparison, reference will be made to what will be designated by factor RL which is the result of the product of the speed of removal of the metal at the factor R and of the duration of the tool between the sharpeners. - ages.
It should be noted that the RL factor thus gives an accurate measure not of the speed at which the metal is removed or of the speed at which the workpiece can be moved on the machine for a certain short or abnormal period of time. at which abnormal wear or even deterioration of the tool or cutter can occur, but the speed at which machining operations can be performed on a long-term production basis , while ensuring adequate life for the tool.
Although it is easily understood that the factor RL can be theoretically increased by simply increasing one of the factors from which it is determined, i.e. the chip load, the number of revolutions. per minute, or the number of teeth, it has not been found so far that it is possible to do this without reducing the life of the cutter or the time between sharpening to such a degree as to result a decrease rather than an increase in the RL factor. In addition, it was previously believed that the three factors which give the number of meters per minute or the R factor were subject to definite limitations preventing any increase beyond commonly accepted maxima.
Chip thickness, for example, had maximum and minimum limit values determined by the cutting material, since too low tooth height or chip thickness results in abrasive action causing wear and tear. excessive heating of the cutting element, while too much chip thickness results in excessive compressive forces which deteriorate the cutting teeth.
Likewise, it has hitherto been considered that the number of revolutions per minute of the cutter or tool was limited by the permissible surface linear speed, that is to say the number of meters per minute traveled by the teeth or cutting elements which is determined by the ability of the cutting element to contact and remove metal from the particular workpiece while maintaining satisfactory cutting conditions for periods of use reasonable. It was previously assumed that this suitability of the cutting element depended mainly on the life of the workpiece, the type of the cutter and the cutting elements with regard to the cutting angle and the clearance angle. , and the material from which the cutting element was formed.
The number of teeth used, although not severely limited, has not heretofore been increased beyond commonly accepted conventional standards, as a result of the expense involved in the initial production of the replacement burs in one. part in which the entire body of the cutter as well as the cutting teeth are made of several materials
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relatively expensive cutting and as a result of mechanical difficulties in securing a number of cutting teeth or cutting elements, greater than the conventional number, on the surface of a cutter body made of a softer and less expensive material by means of wedges, screws or similar mechanical fasteners.
The process of brazing the cutting elements or teeth on the body of the cutter, while allowing a greater number of teeth per centimeter of circumference to be provided, has not been used on a large scale until now for the reason that, as with the solid mill, such a mill is expensive to maintain and that, with regard to carbide teeth or cutting elements, the brazing of these carbide elements to a body or die made of carbide steel destroys much of the cutting efficiency of the carbide.
Although it has previously been proposed to mount the cutting elements in a core of organic plastic material or of a low-melting point alloy forming the body of the cutter, no attempt has been made to produce parts having these. features to increase the number of teeth per centimeter in order to increase the permissible speed of use. In fact, the literature shows a marked tendency of the technique to reduce the number of teeth. On this subject, see the article entitled "Tools and Methods for High Speed Machining, Tool Engineer, April 1943 (pp. 81-83.).
The maximum surface linear velocities presently used with cutting steels, while using high speed tool steel for the cutting element, are in the region of 12.160 m to 22.800 m per minute. This means that with a 101 mm diameter cutter, the number of revolutions per minute of the cutter, for a maximum surface linear speed per minute, will be approximately 75 revolutions per minute A conventional cutter of this diameter having a pitch of 25 , 4 mm, which is close to the minimum pitch provided in conventional practice, would then have twelve teeth, and if an average tooth height of 1.225 mm is used. the feed rate is approximately 0.114 m per minute.
When using carbide cutting elements or teeth, mounted in a conventional manner on a central part or hub, the various factors which determine the number of centimeters removed per minute in factor R are successfully increased without reducing the duration of the cutter, nor reduce the factor RL, but these increases, although they result in a slight increase in the factor RL, are small compared to those obtained by carrying out the methods of the present invention. Thus, it has been found that the surface linear velocity of carbide cutters, which are used on steel or cast iron, is between 76 and 304 meters per minute and is ordinarily in the region of 152 meters per minute.
The speeds of the highest range, that is to say those between 150 and 300 meters per minute are seldom used. read in the industry. Using the same cutter size and pitch as in the previous example regarding the use of high speed tool steel cutters, but increasing the chip thickness to 2.032mm. allows the use of burs with carbide teeth at a feed rate of 1.21 meters per minute.
It is well known that one of the main factors which shortens the life of a cutting tool is the vibration factor which is encountered in all prior known types of cutters. The vibrations which occur in the teeth or cutting elements are of two kinds (a) the forced vibrations produced by the successive contacts of the cutting teeth with the workpiece and by the irregularities of the force communicated to the cutter by the device d 'training; (b) the vibrations generated by themselves or inherent which are due to the natural frequency of the cutting element or tooth and the mechanism used to support the element or tooth on the body of the cutter.
The inherent vibrations are the most
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and, together with the forced vibrations, cause excessive wear and heating of the cutting elements if the cutter is used at speeds that exceed previously established maximums.
To maintain a high level of production, the relatively slow feed speeds, which heretofore had been considered to be the maximum possible speeds which could be used while still maintaining a satisfactory service life at the machine. tool, obviously entailed the expense of milling ferrous metals or similar metal removal operations, expense due to the large number of machines and the large number of hours of workers required to achieve continuous production. high. Accordingly, the invention also relates to novel methods of machining ferrous workpieces, methods in which it is possible to increase the feed rates of the workpieces to a much greater degree than this had not been possible until now.
Yet another object of the invention is constituted by novel methods of machining ferrous material in which a milling cutter is used comprising carbide cutting teeth mounted on the body of the milling cutter, so as to reduce vibrations at the end of the mill. minimum and having a minimum predetermined pitch so as to allow its use at superficial linear speeds that were believed to be impossible until now.
The invention further relates to methods of machining ferrous materials, in which the workpiece moves at a feed rate much in excess of that used heretofore.
The invention also relates to novel methods of working ferrous materials in which cutters having a pitch of less than 12.5 mm are rotated to come into cutting contact with the workpieces at high speeds. larger than those used hitherto while still maintaining a satisfactory service life of the cutter.
When machining ferrous workpieces in accordance with the present invention, the cutters are used at surface linear speeds far exceeding anything heretofore thought possible; they are provided with a number of cutting teeth greatly increased thanks to the use of an entredent or not much lower than that which was supposed to be possible before; finally, they are constructed in such a way as to eliminate the vibrations of the teeth which, until now, have been assumed to be inevitable.
Accordingly, by combining these factors and using workpiece feed rates correlated with the increased surface linear speeds and with a minimum tooth pitch, so as to maintain an appropriate chip thickness, one can achieve machining operation at extraordinarily high speeds without reducing or shortening the life of the cutter.
A number of advantageous results are obtained by using suitably constructed cutters with minimum tooth pitch, at high peripheral speeds and by maintaining a suitable chip thickness. Since with a minimum tooth pitch there will always be at least one tooth, and most often several teeth, in contact at all times with the workpiece, a stabilizing action occurs which tends to reduce or to suppress chattering, and, by giving the cutter either a one-piece structure, or a structure in which the cutting element or teeth are mounted in a relatively inert or inelastic material, the vibrations which the cutter are caused to be suppressed. so far we have met in machining operations.
The elimination of vibrations significantly contributes to reducing the amount of heat generated during the movement of each tooth on the workpiece and, furthermore, the heat generated is minimized due to the very short time that each tooth remains in contact with the part, when
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compares it to the time intervals between the successive contacts of the same tooth with the workpiece.
Maintaining an appropriate chip thickness by correlating surface linear velocity and feed rate, in addition to minimizing wear on teeth or tooth grinding , is also effective in reducing the heating of the cutting teeth, since almost all the heat generated is dissipated from the tooth by the chips, the teeth constituting relatively poor heat conductors, when in use. carbide.
In order to better understand the invention, reference will be made to the appended drawing, in which fig 1 is a left side elevational view schematically showing one of the arrangements that can be used to put in place. implements the methods of the present invention FIG. 2 is a similar front elevational view schematically showing the arrangement of FIG. 1; fig. 3 is a partial view on a large scale of one of the cutters shown in FIGS. 1 and 2; fig. 4 is an end elevational view of the body or die used to make other types of milling cutters which can be used to carry out the methods according to the present invention; fig. 5 is a side elevation, partially in section, of the body or die shown in FIG. 4;
fig. 6 is a fragmentary detail view on a somewhat larger scale of part of the cutter body shown in FIG. 4, this view showing the elements or the cutting teeth mounted therein; fig. 7 is a fragmentary plan view of part of the milling cutter shown in fig 6; figs. 8 and 9 are schematic representations of how several of the cutter teeth come into contact with the workpiece when performing the methods of the present invention.
Figs. 1, 2 and 3 of the drawing schematically show one of the arrangements using peripheral cutters or straightening or face milling cutters to perform high speed machining operations in accordance with the methods of the present invention. The particular apparatus shown has a plurality of cutters 10 and 11 mounted on shafts 12 and 13 which can be driven to rotate the cutters in the manner indicated by arrows 14 and 15 so that the teeth mounted on the strawberries come to bear on the workpiece 16, which has been represented in the form of a round bar.
Cutters 10 and 11 as well as shafts 12 and 13, all in one piece turn around the axis of the workpiece, as indicated by arrows 17, and the workpiece 16, which is immobilized against any rotation, advance longitudinally between the cutters, in the manner indicated by the arrow 18 of FIG. 2.
Although the strawberries represented on the fie. 1 and 2 are in the form of peripheral milling cutters or face milling cutters, it is understood that other types can be used such as for example side cutters or form cutters and it will also be understood that the methods that are the subject of the invention can be implemented with a wide variety of arrangements other than those shown schematically.
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For example, instead of rotating the cutters and their shafts all in one piece around the workpiece, the axes of shafts 12 and 13 can be prevented from rotating and the workpiece 16 can be rotated as it goes. as it advances between strawberries 10 and 11.
The particular milling cutter shown in FIGS. 1, 2 and 3 is of one-piece construction and has several cutting teeth 19 which are cut into the outer cylindrical face of the cutter, and it will be understood that the cutters 10 and 11 can be formed from a solid mass made of high speed tool steel or from a mass of carbide material such as tungsten carbide, titanium tungsten carbide or other carbide end mills obtained by powder metallurgy, such as those which are commonly known and used in the metal removal art.
Cutters 10 and 11 have a maximum number of cutting teeth or close to this maximum, having a minimum pitch or close to this minimum; the teeth 19 may be in the form of straight lines extending parallel to the axis of the milling cutter, or, as shown, they may preferably take the form of a helical line wrapped around the cylindrical cutter, as is well known in the art.
Obviously, the pitch of the cutting teeth can vary, depending on the size of the cutter and the characteristics of the material to be milled, but when practicing the methods of the present invention, the pitch of the teeth should be. to find between 0.39 and 12.7 mm and, preferably, between 3.17 and 6.34 mm, each cutting edge or tooth can be cut or formed to the desired configuration to provide some relief, according to practices well known in the art, and the height of the tooth may also vary. An important point to consider is that the chip clearance space must be sufficient to allow the chips to form properly.
During the operation of the organization shown in FIGS. 1 and 2 to carry out the methods of the present invention, the cutters 10 and 11 are rotated on the shafts 12 and 13 at speeds sufficient to give a surface linear speed exceeding 304 m per minute; shafts and cutters rotate as a whole around the workpiece 16 at a speed which depends both on the length of the cutters and on the speed at which the workpiece advances longitudinally; these last two factors are correlated to ensure that the cutters follow helical paths around the workpiece with a slight overlap (see fig. 2) to prevent what is called a "lifting" and making sure the strawberries cover the entire surface of the body.
The speed at which the cutters rotate all of a part relative to the workpiece is correlated with the surface linear speed and the number of teeth of the cutter to ensure a suitable chip thickness or tooth height and, therefore, if the length of the cutter and the number of teeth are fixed, the rotational speed of the cutters turning all in one piece around the workpiece and the longitudinal feed speed of the workpiece. workpiece are proportional to the surface speed or number of revolutions per minute of the cutters.
In a conventional milling operation, cutters driven at a speed of about 1500 rpm, having a diameter of approximately 101 mm and a pitch of 6 mm can be used to mill a round bar to a depth of 0.793 mm, the bar feed rate during the milling operation being approximately 15.23 m per minute.
Although, from the point of view of efficiency, one-piece cutters of the type shown in FIGS. 1 and 2 are entirely satisfactory for carrying out the methods according to the present invention, by the fact
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that the teeth must have the necessary precise pitch and that the vibrations of these teeth are eliminated, these cutters, particularly if they are made of carbide, are relatively expensive and, on the pins 4 to 7, a type of cutter has been shown which is less expensive to construct and maintain and which also functions satisfactorily, when carrying out the high speed machining operations according to the present invention.
The cutter shown in fig. 4 to 7 is likewise of the peripheral type and comprises a hub or core 20 of steel which is hollowed out on the circumference to form two spaced circumferential projections or ribs 21 and 22. Each of the projections 21 and 22 has several spaced slots 23 that it is possible to mill or otherwise make in the ribs at any suitable angle so as to obtain teeth arranged in a helix as is particularly seen in FIG. 7. The angle of the teeth forming the helix can vary from zero to about 25 degrees, although the angle commonly used is 18 degrees.
An angle significantly less than 18 degrees can prevent, when milling certain types of workpiece, multiple simultaneous contacting of teeth which are so desirable to reduce forced vibration, while a sensitive angle- higher than 18 degrees superfluously increases the lateral forces exerted on the cutter which may be undesirable. In any case, a helical tooth angle appreciably greater than 18 does not provide an advantage which would compensate for the increase in lateral forces.
The slots 23 are arranged at an equal distance on the periphery of the cutter body and are capable of receiving the cutting teeth 24 which are held in place on the body of the cutter, as explained above, by embedding them. partially in a mass of inert or inelastic material such as organic pastic material or low melting point metals or alloys.
In order to firmly hold the teeth 24 in the slots 23, the body 20 is provided with a number of axially extending holes 25 and a number of radially extending apertures 26 which communicate with the axial holes 25 and with the circumferential recess provided. between the ribs 21 and 22. When the teeth or inserts 24 are arranged in the slots 23, the assembly can be placed in a suitable mold in which the plastic material indicated at 27 in FIG. 6 is forcibly introduced into the openings 25 and 26 and into the slots 23 and into the space between the ribs 21 and 22, so as to completely surround and engage the cutting teeth.
When the molding operation is completed, the plastic material 27 is first ground and partially removed from the cutting face of each tooth, so as to provide a suitable chip clearance space (Fig. 6). and the blades or teeth themselves are then ground first on the periphery and then on the cutting face to form the finished mill. The particular cutter shown in Figs 4-7 has a diameter of 304mm and has 150 teeth or cutting blades, which provides a pitch of approximately 6.34mm. It is obviously possible to increase or decrease the number of teeth so as to obtain a pitch of the teeth of between -1.58 mm and 12.7 mm, as required.
As stated before, the pitch of the teeth to be used in accordance with the present invention is chosen so as to ensure that several teeth are in contact with the workpiece at all times, and it is understood that the exact number of teeth which are thus in contact with the workpiece at any time depends on the diameter of the cutter, the diameter of the workpiece, in the case of round bars, or the thickness of the workpiece. work when or the dress, finally the depth of the pass to make. In fig. 8 and 9, two typical examples have been shown. The cutter and the teeth shown schematically by line 28 of FIG. 8 show a 203 mm diameter cutter having a 6.34 mm entredent used to make a pass of a depth of 3.17 mm in a bar 29 of 25.4 mm.
In these conditions,
<Desc / Clms Page number 8>
there are three teeth in contact with the workpiece at all times, which achieves the previously mentioned stabilizing action in order to minimize tooth vibration. In the example shown in FIG. 9, the same cutter is shown schematically by line 28, the pass is 3.17mm, the bar is 50mm and in this case there are four teeth in contact with the workpiece at all times. Working with this cutter on a 101mm bar, there will be five teeth in contact with the workpiece at all times during the cutting operation.
When carrying out the methods of the present invention using the milling cutter shown in Figs. 4 to 7, a surface linear speed of 457 m. per minute is fully possible and may be low. A surface linear speed of 457 m per minute requires about 500 rpm of the cutter. And for 150 teeth having a tooth height of 0.0012 mm the feed rate is 4.445 m. per minute.
This number is much greater than the number of 60-90 revolutions per minute practiced heretofore, and since tool life (or the interval between sharpenings) is also improved, a much greater improvement in the RL factor is obtained. For example, the improvement in factor R, which can be evaluated at 75 in the implementation according to the invention, is approximately 500%, but since the tool life increases by approximately four times, as evidenced by tests, it is evident that the RL factor increases by 2000% when the methods of the present invention are carried out.
Furthermore, it has been found that it is possible for cutters, provided with carbide teeth arranged and mounted in the manner described, to have a surface linear speed of 1,824 m per minute. This results in a rotation of 2,000 revolutions per minute and an increased feed rate which is 38.10 m per minute.
Although no milling machine currently produced can achieve this feed rate, actual tests have been carried out on a peripheral milling cutter having a diameter of 101 mm and having 50 solid carbide blades embedded in the plastic material. This test cutter was applied to the milling of an alloy of cast iron and vanadium having a Brinell hardness of 220. The workpiece was approximately 25.4 mm wide on the surface to be milled and was 1219 mm long. . The end mill spindle performs 1462 revolutions per minute. Thus, the linear superficial speed of this peripheral milling machine with a diameter of 101 mm is 457 m per minute.
The machine tested was a "Sundstrand No. 33 Rigidmil" type milling cutter with a 25 hp motor. The machine's feed table usually has a feed rate of up to 1905 mm per minute as well as a rapid transverse feed of 70.20 m per minute. The table screw is uncoupled from the power source and driven by a separate motor making 1200 revolutions per minute. The table screw has a 12.7 mm feed, which allows the table to travel 15.240 m per minute at full engine speed. It is not possible to make a pass greater than 0.762 mm, since the available power is sometimes less than 25 hp.
Under these conditions, the use of a surface speed of 457 m per minute and for a feed rate of the table of 15.240 m per minute, is excellent, and the results, including very efficient chip formation. as well as resulting surfacing, are superior to any other metal removal process. The time required to travel the length of 1.219 m of the workpiece is 4 seconds, which indicates that the feed rate of the bed is slightly more than 15, 240 m per minute.
If we compare the previous test with a typical milling pass made on the same material using a high speed steel milling cutter, we can see
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state that the superficial linear speed of high speed steel should not exceed 15.230 m per minute. The number of revolutions of the cutter spindle should drop to 46 revolutions per minute. The steel milling cutter having a diameter of 101 mm should not have more than twelve teeth, nor take a chip thickness greater than 0.1270 mm, which gives a feed rate of 0.070 m per minute.
Even if we use a one-piece 101 mm diameter cutter made of high speed steel and having the same pitch as the carbide bur with which we carried out the test, the feed rate of the table, with the same chip thickness of 0.1270 mm, will be 0.304 m per minute.
This test can be further compared to that carried out with a standard carbide bur in which the carbide teeth are mechanically held by wedges. In such a 101mm cutter, there would be a maximum number of 8 teeth. Then using the same chip thickness as with high speed steel, but with a linear speed of 152 m, the feed rate should be 0.457 m per minute. A larger chip thickness can be used with carbide and if it is increased to 0.254 mm then the feed rate should increase to 0.914 mm per minute. In any case, it could not increase up to the speed of 15.230 m / min encountered during the test.
A second test was carried out with the 101 mm peripheral mill with 50 carbide teeth on the same machine, but using standard SAE 1020 steel as the workpiece. All other conditions remained the same, including chip thickness, linear surface speed and table feed speed of 15.230 m per minute; the results obtained were still excellent, both from the point of view of finish and that of precision.
In any case, another consideration is, when increasing the feed rate of the table, the amount of power that can be supplied to a given machine tool. The chip thickness can only be increased within the limits of the cutter up to the limit of the amount of energy available. Here again, it is important to note that the milling process as well as the milling cutter used, both forming the object of the present invention, require less energy for a given tooth height than that which has been necessary heretofore. The energy demanded by a machining operation is usually referred to as the K factor which corresponds to the number of CVs consumed per 16 cm3 of metal removed per minute.
Obviously, the lower the K factor, the greater the advantages given by a given milling process or technique, because more of the 16 cm3 fractions of metal can be removed in one minute. , with a given amount of available energy.
The following tables make it possible to compare these K factors with various metals under the conditions of the current technique and with the process and the milling cutter according to the invention.
K factor for steel
EMI9.1
<tb> Cipher
<tb> of <SEP> hardness <SEP> Factor <SEP> K <SEP> Factor <SEP> K <SEP> Factor <SEP> K
<tb> Brinell <SEP> CV / 16 <SEP> cm3 / min. <SEP> CV / 16 <SEP> cm3 / min. <SEP> CV / 16 <SEP> cm3 / min.
<tb>
<tb>
Current <SEP> technique <SEP> <SEP> technique <SEP> compliant with
<tb> the invention
<tb>
<tb> A <SEP> B <SEP> C
<tb>
<tb> 100 <SEP> 0.8 <SEP> 1, <SEP> 25 <SEP> 0.3.
<tb>
150 <SEP> 0.7 <SEP> 1.43 <SEP> 0.35
<tb>
<Desc / Clms Page number 10>
EMI10.1
<tb> 200 <SEP> 0, <SEP> 65 <SEP> 1.5 <SEP> 0.4
<tb>
<tb> 250 <SEP> 0.6 <SEP> 1.66 <SEP> 0.5
<tb>
<tb> 300 <SEP> 0.55 <SEP> 1.88 <SEP> 0, <SEP> 6 <SEP>
<tb>
<tb> 400 <SEP> 0.5 <SEP> 2.0 <SEP> 0.75
<tb>
The above table is taken from the publication "American 14achinist Handbook", Ed. 1945, page 389. The far left column indicates the Brinell hardness number for a given steel. Column A indicates the K factor of a given steel as a function of the 16 cm3 fractions of metal removed per minute per CV.
The K factor in question in the present invention is expressed in CV per 16 cm3 and per minute; therefore, the reciprocal of column A should be used to determine the corresponding K factor in question. This is established in column B and indicates the. K factor required in currently known processes and phases. In column C the corresponding K factor is indicated in CV per fraction of 16 cm3 and per minute required when using the processes according to the invention.
The following table reproduces part of Table 8 on page 1817 of the publication "Mechanical Engineer's Handbook" by Mark, Ed. 1941 The first column lists the K factor found when using the processes and cutters known up to this day for the subjects indicated.
The second column indicates the corresponding K factor when the methods having the characteristics which are the subject of the invention are used.
EMI10.2
<tb>
Metal <SEP> Factor <SEP> K <SEP> of <SEP> Factor <SEP> K <SEP> with <SEP> the actual <SEP> process <SEP> <SEP> assigned <SEP> compliant <SEP> to < SEP> the invention
<tb>
<tb> Cast iron <SEP> (hard) <SEP> 0.7 <SEP> 0.35
<tb> SAE <SEP> 1112 <SEP> stretched <SEP> to <SEP> cold <SEP> 1.05 <SEP> 0.3
<tb> Stainless steel <SEP> <SEP> 1.2 <SEP> 0.33
<tb> SAE <SEP> 1020 <SEP> forged <SEP> 1.25 <SEP> 0.4
<tb> SAE <SEP> 2345 <SEP> forged <SEP> 1.25 <SEP> 0.4
<tb>
From the foregoing tables it is evident that the energy required to remove a given amount of metal with the process and under the conditions of the present invention is greatly reduced, which allows the removal of metal. 'a greater amount of metal, expressed in cm3 per minute, with any given amount of energy.
The number of CVs required to remove metal depends on the speed in cm3 per minute at which the metal is machined or removed.
The speed in cm3 per minute depends on three factors, namely the width of the pass, the depth of the pass and the feed rate. As noted above, the feed rate is the product of the tooth height times the number of teeth of the cutter and the number of revolutions / min of the spindle. Thus, by changing the width of the pass, the depth of the pass or the height of the teeth, the horsepower in HP will vary.
To determine these K-factors for various materials, tests were carried out on a 25 hp high speed "Sundstrand Rigidmil" type milling machine, specially equipped for high table feed speeds. The cutter was 203 mm in diameter and had 70 carbide blades mounted in a plastic material according to the invention. As before, the machine was modified to increase the feed rate to 15.230 m / min. The test bars used were “Stressproof” SAE 1020 steel and Meehanite. These bars were 25.4mm wide, 101mm thick and 1016mm long.
We had chosen a spindle speed of 1462 revolutions per minute and a feed speed of 15.340 m / min., Which gave a thickness
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of chips slightly greater than 0.127 mm. The depth of cut was 1.270 mm and, in accordance with the formula given above for determining the number of cm3 / minute of metal removed, the latter was determined to be 480 cm3.
Since the number of CVs available to the cutter for this series of tests was approximately 20 and the amount of metal removed was 480 cc / min, the K factor was approximately 0.67. This amounts to saying that the K factor was less than 1 CV / 16 cm3 / min. When using high speed steel end mills or cutting elements, the K factor is 2 for normal steels (Brinell hardness 180 to 200). The K factor, for the traditional carbide technique is 1.25, while for the process used in the invention of which it is an object, it is located in the vicinity of 0.5. With cast irons, the K factor, using high speed steels, is approximately 1.5.
In the current technique of carbides, the factor K is 0.6, while in the process according to the invention using fast carbide, it is 3.
There is nothing in the present process and in the design of the cutter that limits the depth of cut. The only restriction is that relatively low HP powers are available in modern spindles, even considering those with the highest HP power. If the available energy is 100 hp, then the depth of cut will increase rapidly to approximately 4.572 mm.
This figure is obtained by multiplying the cutting width of 25.4 mm by the depth of cut of 4.572 mm and the feed rate of 15.230 m / min., Which equals 1728 cm3 of metal removed per minute. This requires power slightly less than 100 HP for steel and approximately 40 HP for cast iron. The foregoing tests show that the results given by the method and the cutter used are excellent with regard to the removal of metal.
It follows from the foregoing data that the new and improved method of machining a workpiece in accordance with the present invention includes the possibility of increasing, by at least ten times, the feed rates that could be achieved. get so far with existing techniques and burs and at the same time increase the RL factor by forty times. In summary, it can be said that the superficial linear speeds on ferrous materials with cutters with carbide cutting elements, until now, have exceeded, but rarely, 152 m / min., But have rarely exceeded 304 m / min.
In accordance with the present invention, this superficial linear speed is currently increased to 761 m / min., It being understood that a speed of 30,000 or 60,000 m / min, depending on the construction of the machine, is not exaggerated.
The latter speed is mentioned because, during the tests, the cutter rotated at a speed reduced to a quarter due to the limitations of the feed rate of the machine. In addition, the type of milling cutter and the processes envisaged make it possible to increase the feed speed of the workpiece from the usual maximum speed of 18.28 m / min. to that of at least 182.8 m / min. while increasing the life of the cutter and thereby increasing, to a great extent, the RL factor. In addition, surface speeds of at least 60.960 m / min are indicated when it is possible to obtain machines capable of operating at these high feed speeds.
The type of cutter in which the cutting elements are placed in a plastic die dampens vibrations to such an extent that it is possible to obtain greatly increased linear surface velocities, and when moving upwards. the cutting elements in this way it is also possible to increase the number of teeth per cm of circumference compared to current practice. Likewise, a wider range of tooth heights can be used without damaging the milling cutter and obtaining a higher surface coverage of the finished product. In previous practice,
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It was considered that chip thicknesses greater than 0.127 mm - 0.381 mm were not usable, from the point of view of either tool life or surface finish.
However, when practicing the present invention, the satisfactory range of tooth heights may be, depending on the usual known factors, between 0.025 mm and 0.63 mm.
Although certain particular features of the invention have been shown, it is understood that the invention is not limited thereto and that various modifications can be made without thereby departing from the spirit. of the invention.