FR2590823A1 - Method and device for machining slots and a shrapnel (splinter) generator for a military charge - Google Patents
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Abstract
Description
PROCEDE ET DISPOSITIF D'USINAGE DE FENTES ET GENERATEUR
D'ECLATS POUR CHARGE MILITAIRE
L'invention concerne un procédé et un dispositif permettant
d'usiner à travers un élément métallique une série de fentes sur
toute l'épaisseur de l'élément. Elle concerne également un géné
rateur d'éclats métalliques pour charge militaire explosive, usiné
selon le procédé, et destiné aux projectiles d'artillerie, aux bombes,
aux grenades, aux têtes militaires des missiles ou objets similaires.METHOD AND DEVICE FOR MACHINING SLOTS AND GENERATOR
CHIPS FOR MILITARY LOAD
The invention relates to a method and a device for
to machine through a metal element a series of slots on
the entire thickness of the element. It also concerns a gene
metal chip eraser for explosive military charge, machined
according to the method, and intended for artillery projectiles, bombs,
grenades, military heads of missiles or similar objects.
Une charge militaire explosive à effet d'éclats comprend
essentiellement un générateur d'éclats, un chargement explosif et
des moyens de mise à feu du chargement explosif. Le générateur
d'éclats est le plus souvent constitué par un corps métallique de
révolution, creux, fermé à ses extrémités par deux flasques, conte
nant le chargement explosif.An explosive military burst effect includes
basically a shards generator, an explosive charge and
means for igniting the explosive charge. The generator
of fragments is most often constituted by a metallic body of
revolution, hollow, closed at its ends by two flanges, tale
the explosive charge.
La calibration de la fragmentation du générateur d'éclats peut
être obtenue par plusieurs moyens:
a) par modulation de la détonation dans des générateurs
homogènes,
b) par des générateurs de structure hétérogène,
c) par une préfragmentation complète, chacun des éclats étant
collés ou soudés en entre deux viroles,
d) par interposition d'un matériau inerte de forme appropriée
entre le chargement explosif et la face interne du générateur
d'éclats,
e) par une préfragmentation partielle constituée par un treillis
de rainures internes ou externes obtenues par usinage ou
fonderie, ou par des enroulements crantés ou non, ou par des
anneaux jointifs rainurés.Calibration of the fragment generator fragmentation can
be obtained by several means:
a) by modulation of the detonation in generators
homogeneous,
b) by generators of heterogeneous structure,
c) by a complete prefragmentation, each of the flakes being
glued or welded in between two ferrules,
d) by interposition of an inert material of appropriate shape
between the explosive charge and the internal face of the generator
shards,
e) by a partial pre-fragmentation constituted by a trellis
internal or external grooves obtained by machining or
foundry, or by notched windings or not, or by
grooved contiguous rings.
En ce qui concerne le dernier cas cité, on connaît déjà
différents procédés d'usinage permettant de former un réseau de
préfragmentation par rainures dans un élément annulaire métallique. Regarding the last case cited, we already know
different machining processes to form a network of
prefragmentation by grooves in a metallic annular element.
D'une part, ces procédés font appel aux techniques conventiormelles de tournage, de fraisage, de sciage, d'électro-érosion, et présentent certaines limitations qui sont les suivantes. La largeur des saignées ou des rainures doit être accrue lorsque l'on cherche à augmenter la profondeur de ces rainures, avec pour conséquence des durees d'usinage très importantes. Or, pour obtenir une efficacité satis faisante de la charge militaire, la largeur des rainures doit être minimisée. De plus, le rapport du volume total des copeaux ou fragments, au volume primitif de la matière de l'élément est trssp important.On the one hand, these methods use conventional techniques of turning, milling, sawing, EDM, and have certain limitations which are as follows. The width of the grooves or grooves must be increased when one seeks to increase the depth of these grooves, with the consequence of very long machining times. However, to obtain a satisfactory efficiency of the military charge, the width of the grooves must be minimized. In addition, the ratio of the total volume of chips or fragments to the original volume of the element material is very important.
D'autre part, le fait que les anneaux soient entaillés à partir de l'une de leurs faces, a comme effet que leur éclatement par la pression de détonation a lieu précocement et que, par conséquent, les vitesses initiales des éclats sont limitées par l'exflltraticn précoce c'est-à-dire, l'échappement prématuré des gaz de détonation. On the other hand, the fact that the rings are notched from one of their faces, has the effect that their bursting by the detonation pressure takes place early and that, consequently, the initial speeds of the fragments are limited by early exflltraticn that is to say, the premature escape of detonation gases.
L'invention a pour but de réaliser une fragmentation régulière et sans pertes, et sans limiter la vitesse initiale des éclats, en proposant un procédé et un dispositif d'usinage pour lesquels le taux de matière enlevée est minimisé, les temps d'usinage réduits, et qui permettent d'obtenir des anneaux jointifs dont les surfaces interne et externe ne sont pas affectées par la préfragmentation due à un rainurage. The object of the invention is to achieve a regular and lossless fragmentation, and without limiting the initial speed of the flakes, by proposing a method and a machining device for which the rate of material removed is minimized, the machining times reduced. , and which make it possible to obtain contiguous rings whose internal and external surfaces are not affected by the prefragmentation due to a grooving.
Un premier objet de l'invention consiste en un procédé d'usinage de fentes à travers un élément métallique de révolution définissant un axe longitudinal, permettant avantageusement de réaliser un générateur d'éclats, caractérisé en ce qu'il consiste pour chaque fente: - à faire un trou débouchant à travers ledit élément et parallèle audit axe en sublimant localement le métal par projection d'un faisceau laser focalisé dans l'élément métallique et en insufflant coaxialement audit faisceau laser un courant gazeux oxydant afin d'accélérer le processus d'évaporation du matériau - à déplacer ledit faisceau de façon à rendre ledit trou oblong, et former ainsi une fente selon une trajectoire déterminée. A first object of the invention consists of a method of machining slots through a metallic element of revolution defining a longitudinal axis, advantageously making it possible to produce a splinter generator, characterized in that it consists for each slot: - making a through hole through said element and parallel to said axis by locally sublimating the metal by projection of a laser beam focused in the metal element and by blowing coaxially with said laser beam an oxidizing gas stream in order to accelerate the process of evaporation of the material - to move said beam so as to make said hole oblong, and thus form a slit along a determined path.
Un deuxième objet de l'invention est un dispositif d'usinage de fentes à travers un élément métallique caractérisé en ce qu'il comprend un générateur d'un faisceau laser, - une optique pour focaliser le laser, - une arrivée de courant gazeux oxydant débouchant en aval de l'optique - une buse d'usinage définissant un axe longitudinal, comprenant un support percé d'un canal dans lequel la lentille focalise le faisceau, un corps positionné radialement au support par un premier ajustement précis, et un embout amovible positionné dans ledit corps par un deuxième ajustement précis et possédant un canal de sortie coaxial avec ledit axe longitudinal adapté au diamètre du faisceau et destiné à canaliser sur ledit faisceau le courant oxydant. A second object of the invention is a device for machining slots through a metal element characterized in that it comprises a generator of a laser beam, - an optic for focusing the laser, - an arrival of oxidizing gas current. opening downstream of the optics - a machining nozzle defining a longitudinal axis, comprising a support pierced with a channel in which the lens focuses the beam, a body positioned radially to the support by a first precise adjustment, and a removable tip positioned in said body by a second precise adjustment and having an outlet channel coaxial with said longitudinal axis adapted to the diameter of the beam and intended to channel the oxidizing current on said beam.
Un autre objet de l'invention consiste en un générateur d'éclats pour charge militaire explosive comprenant un empilage d'anneaux métalliques définissant un axe longitudinal, déterminant une fragmentation selon des plans perpendulaires audit axe, caractérisé en < e que chaque anneau possède des fentes oblongues, traversant l'anneau mais ne débouchant ni sur la surface interne ni sur la surface externe et déterminant une préfragmentation selon des plans passant par l'axe de la charge. Another object of the invention consists of a burst generator for an explosive military charge comprising a stack of metal rings defining a longitudinal axis, determining a fragmentation along planes perpendicular to said axis, characterized in that each ring has slots oblong, crossing the ring but not opening either on the internal surface or on the external surface and determining a prefragmentation according to planes passing through the axis of the load.
L'invention et ses différentes caractéristiques apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, illustrée des figures qui représentent - figure 1, l'usinage d'une fente dans un élément métallique selon le procédé conforme à l'invention, - figure 2, le schéma d'une partie du dispositif selon l'invention - figure 3, une vue relative à un anneau usiné radialement et utilisé selon l'invention, - figure 4, une vue représentant la structure d'un générateur d'éclats selon l'invention
Sur la figure 1 représentant l'usinage d'une fente dans un élément métallique on distingue principalement l'élément métallique 2 de hauteur E, la fente 3 et une buse 4. Cette dernière permet de pointer un faisceau laser 6 sur l'élément métallique à usiner.Elle est fixée, de même qu'un générateur d'onde laser et une lentille focalisante 14, sur un bâti non représenté et constitué d'une structure rigide, solidement ancrée dans le sol Le milieu actif du générateur d'onde laser est constitué par une enceinte dans laquelle circule un mélange de C02, N et He.The invention and its various characteristics will appear more clearly on reading the description which follows, illustrated by the figures which represent - FIG. 1, the machining of a slot in a metallic element according to the method according to the invention, - FIG. 2, the diagram of a part of the device according to the invention - FIG. 3, a view relating to a ring machined radially and used according to the invention, - FIG. 4, a view representing the structure of a splinter generator according to the invention
In FIG. 1 representing the machining of a slot in a metallic element, there is mainly a distinction between the metallic element 2 of height E, the slot 3 and a nozzle 4. The latter makes it possible to point a laser beam 6 on the metallic element It is fixed, like a laser wave generator and a focusing lens 14, on a frame not shown and consisting of a rigid structure, firmly anchored in the ground The active medium of the laser wave generator consists of an enclosure in which a mixture of C02, N and He circulates.
L'émission du faisceau laser est continue, elle peut être modulée, pulsée, son niveau peut être varié. Le choix de la longueur d'onde d'émission dépend de l'épaisseur de métal à traverser. Une longueur d'onde de 10,6 micromètres convient à une épaisseur de 5 millimètres. La puissance de sortie du générateur est comprise entre 50W et 5K W. Il est possible d'utiliser une source auxiliaire de lumière émettant dans la partie visible du spectre optique et permettant ainsi de matérialiser le faisceau laser destiné à l'usinage. La fixation et les déplacements de l'élément métallique 2 par rapport à la buse 4, sont obtenus à l'aide d'un banc de positionnement, non représenté, analogue à celui utilisé sur des machinesoutils telles que des centres d'usinage. Il est solidaire du bati de la machine et comporte un chariot dont les fonctions sont de maintenir et de positionner l'élément par rapport à la buse. La commande du chariot de positionnement peut être automatisée afin de reproduire avec précision les données de position fournies par un programme d'exécution. Les meilleures conditions d'usinage d'une fente exigent que le faisceau laser soit sensiblement perpendiculaire à la surface par laquelle il pénètre dans l'élément métallique. The emission of the laser beam is continuous, it can be modulated, pulsed, its level can be varied. The choice of the emission wavelength depends on the thickness of metal to be crossed. A wavelength of 10.6 micrometers is suitable for a thickness of 5 millimeters. The generator output power is between 50W and 5K W. It is possible to use an auxiliary source of light emitting in the visible part of the optical spectrum and thus making it possible to materialize the laser beam intended for machining. The fixing and the displacements of the metallic element 2 with respect to the nozzle 4 are obtained using a positioning bench, not shown, similar to that used on machine tools such as machining centers. It is integral with the frame of the machine and comprises a carriage whose functions are to maintain and position the element relative to the nozzle. The positioning carriage control can be automated to accurately reproduce the position data provided by an execution program. The best conditions for machining a slit require that the laser beam be substantially perpendicular to the surface through which it enters the metal element.
L'usinage s'effectue par échauffement, puis par sublimation du métal sous l'action du faisceau laser qui est focalisé à un endroit se situant sur la surface d'attaque de l'élément métallique. Le point focal du faisceau est ensuite plongé à travers l'élément de façon à percer ce dernier jusqu'à ce que le trou ainsi formé traverse l'élément sur toute sa hauteur. Si le faisceau laser se déplace parallèlement à la surface à une vitesse adéquate, le trou s'allonge selon la direction de déplacement du faisceau laser, et forme ainsi une fente. Le perçage initial du trou fait que l'extrémité 3A de la fente est légèrement plus large que le reste de la fente 3B. The machining is carried out by heating, then by sublimation of the metal under the action of the laser beam which is focused at a location located on the attack surface of the metallic element. The focal point of the beam is then plunged through the element so as to pierce the latter until the hole thus formed crosses the element over its entire height. If the laser beam travels parallel to the surface at an adequate speed, the hole lengthens in the direction of movement of the laser beam, and thus forms a slit. The initial drilling of the hole makes that the end 3A of the slot is slightly wider than the rest of the slot 3B.
Le bâti de la machine comporte, outre la lentille 14 et la buse, une arrivée d'une alimentation en oxygène sous pression pour fournir un courant gazeux oxydant de débit contrôlé. La fonction de ce courant gazeux est de favoriser la réaction exothermique du processus de sublimation du matériau, et de protéger la lentille optique, focalisant le rayon laser, des projections éventuelles de métal. Il permet également, dans le cas d'usinage de fentes relativement profondes, d'éjecter les scories résiduelles au point d'usinage. The machine frame comprises, in addition to the lens 14 and the nozzle, an inlet for a pressurized oxygen supply to supply an oxidizing gaseous stream of controlled flow. The function of this gas stream is to promote the exothermic reaction of the process of sublimation of the material, and to protect the optical lens, focusing the laser beam, from possible projections of metal. It also allows, in the case of machining relatively deep slots, to eject the residual slag at the point of machining.
La buse représentée à la figure 2, est constituée principalement d'un support 10 supportant un corps 20 à l'extrémité duquel un embout amovible 30 est vissé. Elle est fixée sur le bâti 9 qui supporte également le générateur d'un faisceau laser 6, une lentille de focalisation 14 et une arrivée de courant oxydant 5 entre la lentille et la buse. Cette dernière définit un axe longitudinal X qui est positionné selon l'axe du faisceau laser. The nozzle shown in Figure 2, consists mainly of a support 10 supporting a body 20 at the end of which a removable tip 30 is screwed. It is fixed to the frame 9 which also supports the generator of a laser beam 6, a focusing lens 14 and an arrival of oxidizing current 5 between the lens and the nozzle. The latter defines a longitudinal axis X which is positioned along the axis of the laser beam.
Le support 10 est percé d'un trou central à l'intérieur duquel passe le faisceau laser focalisé. A l'intérieur de ce trou un taraudage 16 permet, la fixation du corps 20 par son embase filetée 22, et le réglage fin de la distance de la lentille 14 à l'extrémité de la buse en fonction du diamètre du faisceau laser 6. Le positionnement précis de ce corps par rapport au support, est réalisé par un ajustement précis 19 entre la surface interne d'une portée 18 du support et la surface externe 24 du corps. The support 10 is pierced with a central hole inside which the focused laser beam passes. Inside this hole a tapping 16 allows the fixing of the body 20 by its threaded base 22, and the fine adjustment of the distance from the lens 14 to the end of the nozzle as a function of the diameter of the laser beam 6. The precise positioning of this body relative to the support is achieved by a precise adjustment 19 between the internal surface of a bearing surface 18 of the support and the external surface 24 of the body.
L'intérieur du corps est de préférence tronconique de manière à épouser la forme du faisceau laser focalisé. L'embout amovible 30 est positionné sur le corps 20 au moyen d'un deuxième ajustement précis entre les surfaces internes d'un épaulement 28 du corps, et une surface cylindrique externe 32 et une surface radiale 34 de l'embout amovible 30. L'intérieur de ce dernier est de préférence tronconique. L'extrémité de l'embout amovible 30 peut être également tronconique, mais moins large que sa base de façon à ménager une surface radiale de serrage 36. Cette dernière permet la fi tion de l'embout amovible sur le corps par l'intermédiaire d'une piece de serrage 40, se vissant sur un filetage externe du corps et s'appuyant sur ladite surface de serrage.Le caractère amovible de cette pièce a pour but de permettre l'interchangeabilité de plusieurs embouts afin de s'adapter à plusieurs faisceaux lasers et à plusieurs distances focales. Ces différents embouts amovibles utilisables possèdent tous un trou d'extrémité 38 dont le faible diamètre sert à canaliser sur la faisceau laser le courant d'oxygène fourni par la source de gaz extérieure 5. Selon la distance focale de la lentille, le diamètre de la tache focale peut être fixé entre 60 et 300 micromètres, tandis que le diamètre du faisceau laser d'entrée est de l'ordre de m. The interior of the body is preferably frustoconical so as to match the shape of the focused laser beam. The removable end piece 30 is positioned on the body 20 by means of a second precise adjustment between the internal surfaces of a shoulder 28 of the body, and an external cylindrical surface 32 and a radial surface 34 of the removable end piece 30. L the interior of the latter is preferably frustoconical. The end of the removable end piece 30 can also be frustoconical, but less wide than its base so as to provide a radial clamping surface 36. The latter allows the fi tion of the removable end piece on the body by means of d '' a clamping piece 40, screwed onto an external thread of the body and pressing on said clamping surface. The removable nature of this piece is intended to allow the interchangeability of several end pieces in order to adapt to several beams lasers and at multiple focal lengths. These various removable tips that can be used all have an end hole 38, the small diameter of which is used to channel the oxygen current supplied by the external gas source 5 onto the laser beam. Depending on the focal distance of the lens, the diameter of the focal spot can be fixed between 60 and 300 micrometers, while the diameter of the input laser beam is of the order of m.
Ce montage à la fois précis et réglable par vissage du corps 2D sur le support 10 optimise la coaxialité du jet d'oxygène par rapport au faisceau laser.This assembly, which is both precise and adjustable by screwing the 2D body onto the support 10, optimizes the coaxiality of the oxygen jet with respect to the laser beam.
L'anneau représenté sur la figure 3 est une pièce constituflve d'un générateur d'éclats pour charge militaire explosive selon rin- vent ion. Des fentes radiales 50 ont été pratiquées sur tout le périmètre de l'anneau et sur la plus grande largeur possible. -Ces fentes traversent tout l'anneau mais ne débouchent ni sur la surface externe 56 de diamètre D ni la surface interne 55 de diamètre d de l'anneau. Aucun enlèvement de matière n'a été pratiqué sur rune de ces surfaces, ce qui contribue à une nette amélioration de la tenue mécanique de la pièce.Cette amélioration se concrétise par l'augmentation très nette du rendement de la fragmentation Ce rendement est nettement supérieur à celui obtenu avec des généra teurs d'éclats dont la fragmentation est obtenue avec un réseau de rainures pratiquées sur l'une ou les deux surfaces internes ou externes. The ring shown in FIG. 3 is a component made of a burst generator for explosive military charge according to rinse ion. Radial slots 50 were made over the entire perimeter of the ring and over the greatest possible width. -These slots cross the entire ring but do not open either on the outer surface 56 of diameter D or the inner surface 55 of diameter d of the ring. No removal of material has been carried out on one of these surfaces, which contributes to a marked improvement in the mechanical strength of the part. This improvement takes the form of a very marked increase in the yield of the fragmentation This yield is clearly higher to that obtained with burst generators whose fragmentation is obtained with a network of grooves made on one or both internal or external surfaces.
Il est possible de choisir le pas de réalisation de ces fentes ce qui permet d'obtenir une masse d'éclats déterminée. I; nage au moyen du rayon laser tel qu'il est décrit précédemment permet l'obtention de fentes de très faible largeur, par exemple ssnfiérieures à 0,5mu; la masse de matière perdue pendant l'usinage s'en trouve très réduite. It is possible to choose the step in which these slots are produced, which makes it possible to obtain a determined mass of splinters. I; swimming by means of the laser beam as described above makes it possible to obtain slots of very small width, for example ssnfi greater than 0.5mu; the mass of material lost during machining is very reduced.
La nature du matériau de l'élément, ses caractéristiques physiques particulières, notamment sa conductibilité thermique, son pouvoir absorbant et sa réactivité à l'oxygène sont à prendre en compte pour la mise en oeuvre du procédé d'usinage selon l'invention. The nature of the material of the element, its particular physical characteristics, in particular its thermal conductivity, its absorbency and its reactivity to oxygen are to be taken into account for the implementation of the machining process according to the invention.
L'invention procure d'autres avantages. Le procédé d'usinage peut etre automatisé. Les fentes étant très étroites, la faible masse de matériau sublimé, et la vitesse d'usinage rendent la réalisation d'une telle préfragmentation relativement aisée et rapide. The invention provides other advantages. The machining process can be automated. The slots being very narrow, the low mass of sublimated material, and the speed of machining make the achievement of such a prefragmentation relatively easy and rapid.
A titre indicatif, pour l'usinage de fentes dans des anneaux de diamètre avoisinant 150mm, et d'épaisseur de Smm, on utilise un faisceau laser de puissance égale à 2,5Kw, de longueur d'onde égale à l0,6micromètoes, à répartition d'énergie multimode. L'oxygène est insufflé à l'intérieur de la buse à 0,7bars. En utilisant une vitesse de déplacement de l,5m par minute, le temps de perçage du trou initial est de 0,2 seconde et le temps d'usinage d'une fente de longueur égale à 9mm est d'une seconde. As an indication, for the machining of slots in rings with a diameter of around 150mm, and a thickness of Smm, a laser beam of power equal to 2.5Kw is used, with a wavelength equal to l0.6micrometers, at multimode energy distribution. Oxygen is blown inside the nozzle at 0.7 bar. Using a traveling speed of 1.5m per minute, the initial hole drilling time is 0.2 seconds and the machining time of a slot with a length of 9mm is one second.
L'invention ne se limite pas à la description d'une forme de mise en oeuvre du procédé et par les grandeurs quantitatives des principaux paramètres d'usinage qui ont été indiqués dans cet exemple
Sur la figure 4, le générateur d'éclats est constitué par un empilage de plusieurs anneaux métalliques 60 dans lesquels on a pratiqué une série de fentes radiales 50. Cet empilage forme un corps de révolution d'axe Y à l'intérieur duquel est placée une charge explosive non représentée. La fragmentation longitudinale de ce générateur est donc assurée par les fentes, tandis que la fragmentation perpendiculaire à l'axe longitudinal du générateur d'éclats est assurée du fait même de l'empilage des anneaux. Pour assurer un taux de gonflement satisfaisant au moment de l'explosion de la charge, il est nécessaire d'assurer une étanchéité minimale entre les anneaux par une virole mince placée sur les surfaces internes des anneaux. L'empilage est terminé à ses deux extrémités par un fond non représenté, fermant le corps du générateur d'éclats.The invention is not limited to the description of a form of implementation of the method and by the quantitative quantities of the main machining parameters which have been indicated in this example.
In FIG. 4, the splinter generator is constituted by a stack of several metal rings 60 in which a series of radial slots 50 has been made. This stack forms a body of revolution of axis Y inside of which is placed an explosive charge not shown. The longitudinal fragmentation of this generator is therefore ensured by the slots, while the fragmentation perpendicular to the longitudinal axis of the splinter generator is ensured by the very fact of the stacking of the rings. To ensure a satisfactory swelling rate at the time of the explosion of the charge, it is necessary to ensure a minimum seal between the rings by a thin ferrule placed on the internal surfaces of the rings. The stacking is terminated at its two ends by a bottom, not shown, closing the body of the chip generator.
L'empilage représenté à la figure 4 est cylindrique ; d'autres formes de révolution, concaves ou convexes, peuvent être imaginées pour réaliser de tels générateurs d'éclats. The stack shown in Figure 4 is cylindrical; other forms of revolution, concave or convex, can be imagined to produce such burst generators.
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