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Procédé pour l'usinage de surface d'une ébauche,
La présente invention concerne un procédé pour enlever du métal d'une ébauche et elle se rapporte plus particulièrement à un procédé pour enlever une épaisseur limitée de métal à la surface d'une ébauche sans utiliser d'outils de coupe.
L'invention a notamment pour objet un procédé pour l'usinage de surface par enlèvement d'une couche superficielle sur une ébauche métallique, procédé caractérisé parce qu'o oriente un rouleau sur la surface de l'ébauche de telle sorte que la sur- face conique du rouleau suive un parcours où elle s'engage avec le métal de surface de l'ébauche, ce qui oblige le rouleau à tourner et à exercer une force orientée dans une direction normaleà la cote d'épaisseur de la surface d'ébauche, ce contact et cette force
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obligeant le métal de la surface d'ébauche à se cisailler dans le sens d'application de cette force au point de contacte le plus à l'intérieur de le surface conique avec l'ébauche,
et également à fluer en s'écartant de l'ébauche dans une direction transversale au sens d'application de la force.
Pour écailler ou enlever la surface de métal de la pièce, le procédé consiste à exercer de façon continue des forces sur de petites zones continues, les forces créant un cisaillement et un fluage plastique qui donnent lieu à une séparation du métal de la surface par rapport au corps de l'ébauche. Suivant l'invention, l'écaillage ou l'enlèvement du métal superficiel est réalisé par l'intermédiaire d'un rouleau présentant une surface périphérique conique qui est appliquée contre et déplacée par rapport à la surface à écailler de manière à provoquer le cisaillement et le fluage plastique.
Le procédé permet d'enlever du métal sur des ébauches de profils divers, opération qui a été jusqu'à maintenant exécutée en utilisant des procédés et des outillages classiques de tournage, de surface ou de perçage. Par exemple, l'invention est applicable à 1$écaillage d'une surface métallique telle que, par exemple, une surface sensiblement plane d'une plaque, d'un lingot ou d'une billette, la surface périphérique extérieure d'une barre, d'une tige, d'une billette, la surface d'extrémité d'une billette et la surface périphérique intérieure ou extérieure d'une pièce tubulaire
L'invention est en particulier utilisable pour la prépara tion de lingots, de billettes, de tiges, de tubes et de barres constitués d'acier alliés de haute qualité, de métaux réfractaires, d'aluminium et l'équivalent,
dans tous les cas où l'élimination de surfaces contaminées ou fissurées constitue une opération nécessai- re et classique.
L'un des avantages importants du procédé de l'invention est qu'elle permet l'enlèvement du étal superficiel è une vitesse plusieurs fois supérieure à la vitesss d'usinage par un outil de
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coupe classique.
Un autre avantage de l'invention est que l'on peut attein- dre des vitesses élevées d'écaillage ou d'enlèvement du métal su- perficiel sans avoir à remplacer fréquemment le rouleau ou l'outil.
L'invention s'étend également aux caractéristiques résul- tant de la description ci-après et des dessins annexés ainsi qu'à leurs combinaisons possibles.
La description ci-après se rapporte aux dessins ci-joints représentant des exemples de réalisation de l'invention, dessins dans lesquels: - la figure 1 est une vue en élévation latérale d'un rou- leau destiné à être utilisé suivant le procédé de l'invention; - la figure 2 est une vue schématique d'une ébauche ..pré- sentant une surface périphérique extérieure qui est à éliminer; - la figure 3 est une vue en plan de l'ébauche de la figure 2; - les figures 4, 5 et 6 sont des vues en coupe fragmentai-: res représentant schématiquement la manière dont la surface péri- phérique de l'élauche de la figure 2 doit être enlevée ou écaillée;
- la figure 7 est une vue en perspective à échelle gros- sie d'une ébauche telle que l'ébauche de la figure 1, dans laquelle le métal superficiel est partiellement écaillé; - la figure 8 est une vue schématique d'une ébauche présent tant une surface d'extrémité qui est à écailler ; - la figure 9 est une vue en coupe fragmentaire de l'ébau che de la figure 8 mettant en évidence la manière dont le xnuleau est utilisé pour écailler la surface d'extrémité; - la figure 10 est une vue schématique de l'ébauche pré- sentant une surface périphérique intérieure de forme cylindrique et dont le métal superficiel est à éliminer;
- la figure 11 est une vue en coupe fragmentaire de
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l'ébauche de la figure 10 mettant en évidence la manière dont le rouleau est utilisé pour écailler la surface périphérique; - la figure 12 est une vue schématique de l'ébauche présentant une surface généralement plane qui est à éliminer; - la figure 13 est une vue en coupe fragmentaire de l'ébauche de la figure 10 mettant en évidence la manière dont le rouleau est utilisé pour écailler la surface plane.
En référence à la figure 1, le rouleau R présente un profil qui est imposé pour la mise en pratique de l'invention.
Le rouleau comporte une surface périphérique conique 1 et une surface périphérique adjacente conique 2. Ces deux surfaces sont coaxiales avec l'axe de rotation du rouleau 3. La projec- tion de la surface 1 représentée par les lignes- en pointillé 4 coupe l'axe 3 et la projection de la surface 2, représentée par les lignes en pointillé 5 coupe également l'axe 3.
La surface 1 du rouleau R est la surface réelle de travail, c'est-à-dire la surface qui produit les forces nécessaires pour créer le cisaillement et le fluage plastique utilisés pour écailler la surface d'ébauche. La hauteur h de la surface conique est importante en ce que sa valeur doit être au moins aussi grande, et de préférence supérieure à l'épaisseur de la surface à écailler.
La surface 2 n'engendre pas les forces nécessaires pour le cisail.- lement et le fluage plastique, cependant, la surface 2 a son uti- lité puisqu'elle lisse les parties de l'ébauche dont la surface à été écaillée et qu'elle agit de manière à produire un fini super- ficiel sur l'ébauche.
En référence à la figure 2, l'ébauche 6 et le rouleau R peuvent être supportés par un équipement connu, par exemple de manière que l'ébauche 6 puisse tourner autour de l'axe 7. Le rou- leau R est supporté sur le chariot d'une machine de manière à être déplacé dans une direction qui est sensiblement parallèle à
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l'axe de rotation 7. Le support du rouleau doit être conçu de manière à permettre l'orientation de ce dernier.
L'ébauche 6 présente une surface périphérique extérieure 8 dont l'épaisseur est indiqua par t, les lisières extérieure et intérieure étant désignées par 9 et 10. Comme indiqué survies . dessins, l'ébauche a un profil généralement cylindrique et peut se présenter sous forme d'une billette ou d'une tige, ou d'une autre pièce similaire dont la surface est à écailler. La manière dont le rouleau R est c'ienté et déplacé pour écailler la surface 8 est expliquée dans la suite. Cependant, il est à noter que, pour l'opération d'écaillage proprement dite, le rouleau est dé- placé parallèlement à l'axe 7.
En référence à la figure 3, le rouleau R (en vue en plan) est positionné de manière que son axe de rotation 3 soit situé dans un plan vertical P qui contient l'axe de rotation de l'ébauche 7.
En référence à la figure 4, le rouleau (en vue en élévation) est orienté de manière que son axe de rotation 3 soit incliné dans le plan P. L'intersection des surfaces 1 et 2.dans le plan P est dé- signée par 11. L'intersection de la hauteur h de la surface 1 avec le plan P est indiquée par la ligne 12.
Le rouleau R est incliné de manière que la surface de travail 1 présente l'orientation correcte pour réaliser l'écail- lage superficiel. Cette orientation est appelée l'angle d'attaque i. de la surface de pièce et elle est déterminée par l'inclinaison angulaire de la ligne 12 par rapport à la projection de la lisière 10 dans le plan P.
Comme indiqué sur les Figures, le rouleau est incliné de manière que la ligne 12 fasse un angle de 90 par rapport à la projection de lisière ou présente un angle d'attaque nul.
Dans certains cas, le rouleau est incliné de manière que la-ligne 12 fasse un angle égal approximativement à 88 (c'est-à-dire un angle aigu dans une direction opposée à l'avance du rouleau) de
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manière que l'angle d'attaque soit égal 8 - 2 . Dans d'autres cas, le rouleau est oriente de manière que la ligne 12 soit inclinée d'approximativement 80 (soit un angle aigu dans la direction d'avance du rouleau) de manière que l'angle d'attaque soit égal à + 10 . L'angle d'attaque de la surface de travail 1 dépend essentiel- lement du type de matières à travailler, de l'épaisseur superficiel- le à enlever, de la vitesse de rotation de l'ébauche et de la vitesse d'avance du rouleau. Des angles d'attaque compris dans le domaine mentionné ci-dessus donnent des résultats satisfaisants.
Ce domaine n'est pas absolument limitatif; cependant, il est noter que la grandeur de l'angle d'attaque négatif doit nécessaire- ment être relativement faible de manière à éviter un tassement du métal qui pourrait gêner l'action du rouleau et créer des forces de frottement élevées.
Pour commencer l'opération, le rouleau est incliné sui- vant lngle d'attaque désiré et il est positionné de manière que le point 11 soit placé sur la projection de la lisière intérieure 10. Il est à noter en ce cas, que la surface conique 2 est orientée par rapport à la surface conique 1 de manière que, lorsque le rouleau avance dans le métal de la surface 8, la surface 2 soit écartée du métal de l'ébauche. En pratique, il n'est pas toujours possible de conserver un Intervalle libre effectif entre la surface 2 et l'ébauche du fait de l'élasticitédumétal. Cependant, cette surface a une action de lissage intéressante, comme on l'a dit plus haut.
Le rouleau étant orienté de la manière indiquée ci-des-. sus, l'ébauche 10 est mise en rotation et le rouleau est ensuite déplacé vers le bas et parallèlements l'axe 7. Lorsque le rouleau ou la surface 1 entre en contact avec le bord supérieur 13 de la surface 8, il commence à tourner autour de son axe 3. A mesure que le rouleau est déplacé parallèlement à l'axe 7, il exerce une
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force sur la surface 8. Cette force est parallèle à l'axe 7 ou perpendiculaire à la cote d'épaisseur t de la surface 8.
Sur la figure 4, le vecteur de force est indiqué en 14. Lorsque le rou- leau avance le long de la pièce, la force exercée au point 11 pro- voque un cisaillement du métal le long de la lisière 10 et le métal de la surface 8 situé en-dessous du rouleau est soumis à un fluage plastique et est déplacé dans une direction qui est orien- tée radialement vers l'extérieur, en s'écartant du corps de l'é- bauche. Ceci est mis en évidence sur la figure où la surface de . l'ébauche après cisaillement est indiquée en 10a, le métal qui a flué étant indiqué en 20. Le rouleau poursuivant son déplacement parallèlement à l'axe 7 et l'ébauche continuant à tourner, il se produit un autre cisaillement et un autre fluage de métal indiqués en 10b et en 20b sur la figure 6.
Le métal est guidé vars l'exté- rieur par la surface 2 et la partie supérieure de la pièce est lisse.
Il est à noter qu'initialement le métal flue vers l'exté- rieur sous forme d'un disque ou d'un anneau. Cependant, des fissures et des cassures se créent dans l'anneau du fait que la matière de ce dernier est soumise à de fortes tensions et que, en étant travail- lé de la sorte, le métal devient considérablement moins ductile. t
Egalement, le métal a tendance à s'enrouler en cours de fluage, A mesure que l'opération se poursuit, ces fissures se transforment en des criques relativement importantes de manière h provoquer des saillies de métal dans le sens tangentiel. Cdt effet de saillie tangentielle est provoqué par le mouvement relatif du rouleau au- tour de l'ébauche et il s'effectue dans la même direction que le sens de déplacement du rouleau par rapport à l'ébauche.
Ceci est mis en évidence sur la figure 7 où les fissures dans le métal en cours de nuage sont désignées par 23 alors que les différentes criques qui sa sont créées par suite de la rupture des fissures sont désignées par 24, les saillies de métal étant orientées ten- gentiellement dans le sens contraire des aiguilles d'une montre.
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Cornue on l'a dit plus haut, la surface conique 2 est disposée par rapport à la surface conique 1 de manière que, pen- dant le temps où la surface 1 est en train de travailler sur l'ébauche, la surface 2 est écartée de cette dernière. Sur la figure 4, cet écartement est représenta comme étant compris entre 1/2 et 2 1/2 . Par conséquent, lors de la fabrication du rouleau, l'angle d'attaque et l'écartement désirés déterminent l'orienta- tion des surfaces coniques 1 et 2 l'une par rapport à l'autre.
Malgré cette orientation des surfaces 1 et 2, la sur- face 2 n'est pas toujours complètement écartée de l'ébauche. Ceci est dû au fait que le métal est élastique et qu'une partie du métal située juste en arrière du point de cisaillement tend à provoquer un renflement pénétrant dans l'intervalle libre et arri- vant contre la partie de la surface 2 qui est située juste en ar- rière du point 11. Dans ces conditions, la surface 2 effectue un lissage du métal et par conséquent influence la nature et la qua- lité du fini superficiel.
En référence à la figure 4, il est à noter que la hauteur h de' la surface conique 1 est supérieure à l'épaisseur ! de la sur- face 8 et par conséquent est orientée vers l'extérieur en s'écar- tant de la dite surface. Ceci constitue la construction et la dis- position les plus intéressantes de la surface conique 1 par rap- port à la portion de métal à écailler.
Il est à remarquer, à partir de ce qui précède, que les forces de cisaillement et de fluage sont exercées en série le long de zones configura ot que la surface élémentaire sur Inquelle s'exerce cette force à un instant donné est extrêmement petite par comparaison à la surface totale sur laquelle la force s'appli- que au cours de l'écaillage de l'ébauche. Par exemple, lors de l'enlèvement de la surface 8, le rouleau peut être considéré comme entrant en contact avec un ruban imaginaire enroulé en hélice au- tour de l'axe 7. Il est à noter que lu surface totale du ruban est extrêmement grande par comparaison à la surface élémentaire de
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contact à un instant donné.
En conséquence, le métal est écaille ou enleva par contact ponctuel au linéaire et ceci permet d'ob tenir que la force totale instantanée nécessaire pour provoquer le cisaillement et le fluage plastique du métal soit relativement faible . Ceci estévidemment avantageux du point de vue de la ré- sistance du métal de l'outil à des contraintes extrêmement le- vées et ceci permet également de réduire le dimentionnement des structures assurant le soutien et la rotation de l'ébauche ,et du rouleau.
Dans le cas de l'enlèvement du métal superficiel d'une ébauche dû la maière décrite ci-dessus, il est noter flue le travail exécuté par l'outil ou par le rouleau résulta d'une sc- tion de roulement plutôt que d'une action de frottement, comme c'est le cas pour des outils classiques. L'action de roulement présente une importance considérable du fait qu'elle a tendance à favoriser l'augmentation de la durée de service de l'outil.
Sur la figure , l'ébauche 30 présente une surface d'extrémité 31 délimitée par les lisières 32 et 33 et par un bord périphérique 34.
L'ébauche 30 et le rouleau R peuvent être supportés par des machines connues, comme par exemple une aléseuse présentant une table sur laquelle est montée l'ébauche 30 de manière à tour- ner autour de l'axe 35, le rouleau R étant monté sur un coulis- seau transversal. L'axe de rotation 3 du rouleau est.orienté de manière à être situe dans un plan contenant l'axe de rotation de l'ébauche 35.
Le rouleau R est réglé de manière que sa surface de travail conique 1 soit placée au-dessus de la surface d'ébauche 31, le point 11 {tant placé sur la projection de la lisière 33 et le rouleau présentant l'angle d'attaque et l'écartement dé- sirés. L'ébauche est ensuite mise en rotation et le rouleau est alors déplacé radialement vers l'intérieur, en direction de l'axe 35. Lorsque la surface conique de travail 1 entre en contact avec
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le bord périphérique 34, le rouleau commence à tourner. Lorsque le rouleau commence à se déplacer vers 1* intérieur, il exerce une force qui est dirigée, dans le sens radial, en direction de l'axe 35 ou. normalement à l'épaisseur de la surface 31.
Comme le montre lu Figure 9, le rouleau exerce une action de cisaillement le long de la lisière 33 et le métal flue vers l'extérieur en s'écartant de l'ébauche, comme indiqué en 40. Pendant le stade initial de fluage plastique, le métal se déplace vers l'extérieur en prenant généralement une forme de disque puis, à mesure que le fluage plas- tique se poursuit, il se crée des fissures et des cassures. A me-
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surf crut' 1,<a ritaLdtr><t UO l'approche de l'axe 35e It- métal en cours de flU!I6(fl s'enroule (:Il; sa rompt en donnant des fnoroaaux ou dos co- peaux. Le mouvement du rouleau vers l'intérieur est poursuivi jusqu'à ce que l'axe 35 soit atteint et que la surface 31 soit totalement écaillée.
En référence aux figures 8 et 9, on voit que la trajec- toire relative de mouvement entre le rouleau et l'ébauche a la for- me d'une développante.
Il va de soi que l'on peut utiliser plus d'un rouleau, par exemple deux rouleaux disposés de part et d'autre de l'axe de rotation de l'ébauche pour effectuer l'écaillage superficiel de celle-ci.
Sur la figure 10, une ébauche de profil tubulaire 40 présente une surface périphérique Intérieure, de profil cylin- drique 41, délimitée par des lisières 42 et 43. Cette surface est écaillée par le rouleau R fonctionnant de 13 même manière que ce qui a été décrit en référence à la figure 2, excepté que le rou- leau est placé à l'intérieur au lieu d'être à l'extérieur.
Le rou- leau R est orienté comme auparavant et l'ébauche 40 tourne autour de l'axe 44. Le rouleau est susceptible de se déplacer dans une direction parallèle à l'axe de rotation de l'axe 44. Il exerce une forceparallèle à cet axe et provoque un cisaillement le long de la lisière 42 et un fluage plastique du métal dans une direction transversale à l'orientation de la force exercée par le rouleau,
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comme, indiqué en 45 sur la figure 11.
Les figures 12 et 13 montrent comment l'invention est utilisée pour écailler une surface plbn,, par exemple une surface
50 qui peut être située sur un côté d'un lingot 51. La surface 50 présente une épaisseur limitée définie,'par les lisières 52 et 53.
Le rouleau R est placé au-dessus du lingot de manière à toucher la surface 50 comme plus haut. De préférence, l'ébauche est dé- placée alternativement vers l'avant et vers l'arrière sous le rou- leau et, pendant l'un de ces déplacements alternatifs, le rouleau est positionné de manière qu'il pénètre dans l'ébauche et exerce en conséquence une force dirigée vers le bas et normale au sens de déplacement de l'ébauche et à la cote d'épaisseur de la surface 50. Cette force dirigée vers le bas provoque un cisaillement le long de la lisière 52 et un fluage plastique dans une direction généralement transversale au sens d'application de la force du rouleau,,. comme indiqué en 54 sur la figure 13.
Le mouvement al ter- natif de l'ébauche et le mouvement de descente du rouleau sont poursuivie jusqu'à ce que la surface 50 soit complètement écaillée.
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