FR2749204A1 - Machining and surface treatment apparatus for mechanical components - Google Patents
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Abstract
Description
PROCEDE ET DISPOSITIF D'USINAGE ET DE TRAITENENT DE
SURFACE COMBINES D'UNE PIECE MéCANIQUE
La présente invention concerne un dispositif et un procédé d'usinage et de traitement combinés d'une pièce mécanique.METHOD AND DEVICE FOR MACHINING AND PROCESSING
COMBINED SURFACE OF A MECHANICAL PART
The present invention relates to a device and a method for machining and treating a mechanical part combined.
L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans les domaines de l'industrie faisant appel à des matériaux durs, et notamment les industries automobile et aéronautique lorsqu'il s'agit par exemple d'usiner et de traiter en surface des paliers de pièces mécaniques tournantes comme les boîtes de vitesse ou les arbres de sortie de transmission. The invention finds a particularly advantageous application in the fields of industry using hard materials, and in particular the automobile and aeronautical industries when it is a question, for example, of machining and surface treatment of bearings of mechanical parts. rotating like gearboxes or transmission output shafts.
Certains matériaux utilisés dans l'industrie présentent une dureté telle qu'ils sont très difficiles, voire impossibles à usiner par outil coupant. Parmi ces matériaux, on peut citer les aciers
XC42 trempé et 35NDC16, l'alliage de titane TA6V, l'inconel 718 et les céramiques type Si3N4.Certain materials used in the industry have a hardness such that they are very difficult, even impossible to machine by cutting tool. Among these materials, mention may be made of steels
XC42 hardened and 35NDC16, titanium alloy TA6V, inconel 718 and ceramics type Si3N4.
Pour apporter une solution à cette difficulté, ont été développées diverses techniques d'assistance à l'usinage regroupées sous le terme générique usinage à chaud". Le principe de base de ces procédés réside dans le fait que la plupart des matériaux présentent une évolution marquée de leurs caractéristiques mécaniques en fonction de la température. En particulier, la diminution de la résistance au cisaillement induite par un échauffement du matériau se traduit par une réduction des efforts de coupe et donc à une diminution des sollicitations mécaniques sur l'outil tranchant. To provide a solution to this difficulty, various machining assistance techniques have been developed, grouped under the generic term hot machining ". The basic principle of these processes lies in the fact that most of the materials exhibit a marked evolution. of their mechanical characteristics as a function of the temperature In particular, the reduction in shear resistance induced by heating of the material results in a reduction in the cutting forces and therefore in a reduction in the mechanical stresses on the cutting tool.
La technique d'usinage à chaud a été mise en oeuvre sous diverses formes: chalumeau oxhydrique, courant électrique, friction et torche plasma. Tous ces procédés ont certes montré l'efficacité du préchauffage de la matière pour diminuer les efforts de coupe mais ils n'en présentent pas moins un même inconvénient, à savoir que la densité de puissance de la source thermique n'est en général pas suffisante pour assurer un échauffement sélectif du matériau. La conséquence directe en est qu'une grande partie de la chaleur apportée diffuse dans le matériau et induit des changement de phase ou des croissances de grains inacceptables sur le produit fini. The hot machining technique has been implemented in various forms: oxyhydrogen torch, electric current, friction and plasma torch. All these processes have certainly shown the effectiveness of preheating the material to reduce the cutting forces, but they nevertheless have the same drawback, namely that the power density of the thermal source is generally not sufficient. to ensure selective heating of the material. The direct consequence is that a large part of the heat supplied diffuses into the material and induces phase changes or unacceptable grain growths on the finished product.
C'est pour remédier à cet inconvénient qu'a été introduite une nouvelle technique d'usinage à chaud, connue sous le nom d'usinage assisté par laser (U.A.L.), qui consiste à utiliser comme source de chaleur le rayonnement d'un faisceau laser, par exemple le rayonnement infra-rouge émis par un laser YAG ou C02. Les densités de puissance obtenues de cette manière peuvent atteindre des valeurs très élevées, supérieures à 106W/cm2, sur des surfaces très réduites, inférieures à 1 mm2. Le laser apparaît donc bien comme la source la plus appropriée pour la mise en oeuvre de l'usinage à chaud. It is to remedy this drawback that a new hot machining technique, known as laser assisted machining (UAL), has been introduced, which consists in using the radiation of a beam as a heat source. laser, for example infrared radiation emitted by a YAG or C02 laser. The power densities obtained in this way can reach very high values, greater than 106 W / cm2, on very reduced surfaces, less than 1 mm2. The laser therefore appears to be the most suitable source for implementing hot machining.
Un dispositif d'usinage assisté par laser comprend, d'une manière générale, ou est juxtaposé sur une machine classique, tour ou fraiseuse par exemple, munie d'un outil de coupe destiné à usiner la pièce dans une zone de coupe. Ledit outil de coupe peut être tout aussi bien un outil à charioter qu'un outil à dresser ou encore un outil à tronçonner. A laser assisted machining device generally comprises or is juxtaposed on a conventional machine, lathe or milling machine for example, provided with a cutting tool intended to machine the part in a cutting zone. Said cutting tool can be just as much a turning tool as a straightening tool or even a cutting tool.
Un faisceau laser de coupe est focalisé, à l'aide de moyens de focalisation solidaires de l'avancement de l'outil de coupe, sur la pièce à usiner au moins au voisinage de ladite zone. La puissance du faisceau laser de coupe est dimensionnée de manière à amener le matériau constitutif de la pièce dans la zone de coupe à la température proche de la transformation austénique du matériau, c'est-à-dire à une température à partir de laquelle ledit matériau se ramollit, provoquant ainsi une diminution de sa résistance au cisaillement et de la contrainte d'écoulement. A cutting laser beam is focused, by means of focusing means integral with the advancement of the cutting tool, on the workpiece at least in the vicinity of said zone. The power of the cutting laser beam is dimensioned so as to bring the material constituting the part in the cutting zone to the temperature close to the austenic transformation of the material, that is to say to a temperature from which said material softens, causing a decrease in its shear strength and flow stress.
En U.A.L., seule une section de matière est chauffée par le faisceau laser de coupe. Le mouvement d'avance de l'outil assure la stabilité du processus puisque l'outil permet d'enlever la section chauffée sous forme de copeau et donc d'éviter une diffusion de chaleur importante dans la pièce usinée. In U.A.L., only one section of material is heated by the cutting laser beam. The advance movement of the tool ensures the stability of the process since the tool makes it possible to remove the heated section in the form of chips and therefore to avoid significant heat diffusion in the workpiece.
Les principaux avantages de l'usinage assisté par laser sont la diminution des efforts de coupe et de l'amplitude des vibrations, l'augmentation de la durée de vie de l'outil, la réduction du volume apparent du copeau, l'amélioration de la qualité de surface et de la géométrie de la pièce, la possibilité d'utiliser des outils de coupe bon marché et d'éviter l'emploi des fluides de coupe. Enfin, un dernier avantage très important est d'élargir le champ d'application des opérations d'usinage à de nouveaux matériaux jusqu'à présent non usinables par les moyens conventionnels tels les céramiques. The main advantages of laser assisted machining are the reduction of cutting forces and the amplitude of vibrations, the increase of the tool life, the reduction of the apparent volume of the chip, the improvement of the quality of the surface and the geometry of the part, the possibility of using inexpensive cutting tools and avoiding the use of cutting fluids. Finally, a last very important advantage is to widen the field of application of machining operations to new materials hitherto not machinable by conventional means such as ceramics.
De manière habituelle, les pièces mécaniques sont, après usinage, soumises à un durcissement réalisé par traitement thermochimique dans des fours de cémentation ou carbonitruration conduisant à la formation d'une structure métallurgique dure : la martensite. A la suite de cette opération de traitement de surface, une reprise de finition de la pièce doit être effectuée par rectification plongée avec meule de forme ou rectification dite centerless au défilé. Usually, the mechanical parts are, after machining, subjected to hardening carried out by thermochemical treatment in carburizing or carbonitriding furnaces leading to the formation of a hard metallurgical structure: martensite. Following this surface treatment operation, the part must be finished again by dipped grinding with a grinding wheel or so-called centerless grinding on parade.
La succession des deux opérations de traitement de surface de durcissement et d'usinage de finition pose actuellement un certain nombre de problèmes. The succession of the two hardening surface treatment operations and finishing machining currently poses a number of problems.
Tout d'abord, les distorsions géométriques induites par le traitement thermique de surface imposent une reprise de finition importante se traduisant par une épaisseur durcie résiduelle qui doit être limitée pour la fonction palier. First of all, the geometrical distortions induced by the surface heat treatment impose a significant resumption of finish resulting in a residual hardened thickness which must be limited for the bearing function.
D'autre part, l'organisation de la production se trouve perturbée par la durée de l'opération de traitement de surface par voie thermochimique, supérieure à 3 heures, ainsi que par la nécessité du transport de la pièce pour l'acheminer du site de traitement en atelier capacitaire à l'atelier de finition. On the other hand, the organization of production is disrupted by the duration of the thermochemical surface treatment operation, greater than 3 hours, as well as by the need to transport the part to transport it from the site. treatment in the capacity workshop at the finishing workshop.
Enfin, la rectification prolongée exige la mise en oeuvre de machines de dimension importante, coûteuses en outillage, telles que les meules de forme, et qui surtout imposent de travailler par classe d'appariement au montage de l'ordre de 15 Mm en automobile. Finally, prolonged rectification requires the use of machines of large size, costly in tools, such as grinding wheels, and which above all require working by pairing class for mounting of the order of 15 mm in cars.
Aussi, le but de la présente invention est de proposer un dispositif d'usinage et de traitement de surface combinés d'une pièce mécanique en un matériau donné, comprenant:
- une machine munie d'un outil de coupe pour l'usinage de ladite pièce dans une zone de coupe,
- une source laser émettant un faisceau laser de coupe,
- des moyens de focalisation, solidaires dudit outil, aptes à focaliser ledit faisceau laser sur ladite pièce au moins au voisinage de ladite zone de coupe, le faisceau laser de coupe étant apte à amener le matériau de la pièce dans la zone de coupe au moins à la température de début de transformation austénitique dudit matériau, dispositif qui permettrait de résoudre les problèmes mentionnés plus haut, liés aux opérations successives de traitement de surface et de rectification qui doivent être effectuées à la suite de l'usinage proprement dit.Also, the aim of the present invention is to propose a device for machining and surface treatment combined with a mechanical part made of a given material, comprising:
- a machine provided with a cutting tool for machining said part in a cutting zone,
- a laser source emitting a cutting laser beam,
- focusing means, integral with said tool, capable of focusing said laser beam on said workpiece at least in the vicinity of said cutting area, the cutting laser beam being able to bring the material of the workpiece into the cutting area at least at the temperature at the start of austenitic transformation of said material, a device which would make it possible to solve the problems mentioned above, linked to the successive operations of surface treatment and rectification which must be carried out following the actual machining.
Ce but est atteint, selon la présente invention, du fait que ledit dispositif comprend également:
- un faisceau laser de traitement de surface,
- des moyens de focalisation, solidaires dudit outil, aptes à focaliser ledit faisceau laser de traitement de surface sur ladite pièce en aval de la zone de coupe, le faisceau laser de traitement de surface étant apte, consécutivement à la coupe, à amener le matériau de la pièce en phase martensitique.This object is achieved, according to the present invention, because said device also comprises:
- a laser beam for surface treatment,
- focusing means, integral with said tool, capable of focusing said laser surface treatment beam on said piece downstream of the cutting zone, the laser surface treatment beam being able, following the cutting, to bring the material of the part in martensitic phase.
L'invention concerne également un procédé d'usinage et de traitement de surface d'une pièce mécanique en un matériau donné, ladite pièce étant maintenue dans une machine munie d'un outil de coupe pour l'usinage de ladite pièce dans une zone de coupe, ledit procédé comprenant les étapes suivantes - générer un faisceau laser de coupe, - focaliser ledit faisceau laser sur ladite pièce au
moins au voisinage de ladite zone de coupe de manière
à amener le matériau de la pièce dans la zone de
coupe au moins à la température de début de
transformation austénitique dudit matériau, caractérisé en ce que ledit procédé comprend également les étapes suivantes - générer un faisceau laser de traitement de surface, - focaliser ledit faisceau laser de traitement de
surface sur ladite pièce en aval de la zone de coupe
de manière à amener, consécutivement à la coupe, le
matériau de la pièce en phase martensitique.The invention also relates to a method of machining and surface treatment of a mechanical part made of a given material, said part being held in a machine provided with a cutting tool for machining said part in a zone of cutting, said method comprising the following steps - generating a cutting laser beam, - focusing said laser beam on said workpiece
less in the vicinity of said cutting area so
to bring the material of the part into the area of
cuts at least at the start temperature of
austenitic transformation of said material, characterized in that said method also comprises the following steps - generating a laser beam for surface treatment, - focusing said laser beam for treatment
surface on said piece downstream of the cutting zone
so as to bring, following the cutting, the
material of the part in martensitic phase.
Ainsi, le traitement de surface est réalisé simultanément en temps masqué avec l'usinage assisté par laser sur la même machine, sans changement de prise de pièce et en un temps de cycle très court, inférieur à 1 mn, afin d'assurer une production en juste à temps, et sans qu'il soit nécessaire de procéder à une passe de rectification. Thus, the surface treatment is carried out simultaneously in masked time with the laser assisted machining on the same machine, without changing the grip of the workpiece and in a very short cycle time, less than 1 min, in order to ensure production. just in time, and without the need for a rectification pass.
Le dispositif et le procédé conformes à l'invention présentent de multiples avantages:
- la rugosité obtenue est inférieure à celle de la rectification, d'où une meilleure résistance au risque de grippage des paliers. De plus, les efforts de coupe sur machine étant très faibles, il en résulte des précisions de forme plus serrées au niveau de la cylindricité,
- la vitesse de refroidissement par auto-trempe, supérieure à 1000"C/s, est plus élevée que par trempe traditionnelle à l'huile, inférieure à 1000C/s, d'où obtention d'une dureté plus élevée propice à la résistance à l'usure par abrasion des paliers,
- il est possible d'usiner et de traiter toutes familles de pièces de différents diamètres et longueurs sans changement d'outillage de forme, ceci du fait du pilotage des paramètres de mise en oeuvre du dispositif,
- l'encombrement du dispositif se limite à celui de la machine avec l'adjonction d'au moins une source de rayonnement laser, d'où une occupation de surface au sol moindre que celle d'un four de traitement et d'une rectifieuse,
- l'organisation de la production est améliorée avec suppression des classes d'appariement et la fabrication en juste à temps sans transport ni stockage de pièces.The device and the method according to the invention have multiple advantages:
- The roughness obtained is less than that of grinding, hence better resistance to the risk of seizing of the bearings. In addition, the cutting forces on the machine being very low, this results in tighter shape precisions at the level of the cylindricity,
- the cooling rate by self-quenching, greater than 1000 "C / s, is higher than by traditional oil quenching, less than 1000C / s, resulting in a higher hardness conducive to resistance wear by abrasion of the bearings,
it is possible to machine and process all families of parts of different diameters and lengths without changing the shape of the tool, this being due to the control of the parameters for implementing the device,
- the size of the device is limited to that of the machine with the addition of at least one source of laser radiation, resulting in less floor space occupancy than that of a treatment oven and a grinding machine ,
- the organization of production is improved with the elimination of matching classes and just-in-time manufacturing without transport or storage of parts.
La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée. The description which follows with reference to the appended drawings, given by way of nonlimiting examples, will make it clear what the invention consists of and how it can be implemented.
- la figure 1 est une vue schématique en perspective d'une pièce mécanique en cours d'usinage et de traitement de surface à l'aide du dispositif de l'invention;
- la figure 2 est un diagramme tempstempérature-transformation pour un acier mi-dur illustrant l'histoire thermique du procédé selon l'invention
- la figure 3 est un schéma d'un premier exemple de réalisation du dispositif d'usinage et de traitement de surface combinés conforme à l'invention;
- la figure 4 est un schéma d'un deuxième exemple de réalisation du dispositif d'usinage et de traitement de surface combinés conforme à l'invention;
- la figure 5 est un schéma d'un troisième exemple de réalisation du dispositif d'usinage et de traitement de surface combinés conforme à l'invention.- Figure 1 is a schematic perspective view of a mechanical part during machining and surface treatment using the device of the invention;
- Figure 2 is a tempstemperature-transformation diagram for a semi-hard steel illustrating the thermal history of the process according to the invention
- Figure 3 is a diagram of a first embodiment of the combined machining and surface treatment device according to the invention;
- Figure 4 is a diagram of a second embodiment of the machining device and combined surface treatment according to the invention;
- Figure 5 is a diagram of a third embodiment of the combined machining and surface treatment device according to the invention.
La vue en perspective de la figure 1 montre une pièce mécanique 10 en un matériau réputé dur et difficile à usiner: fonte blanche, acier spécial, alliage à base de nickel, ou céramique. The perspective view of FIG. 1 shows a mechanical part 10 made of a material known to be hard and difficult to machine: white cast iron, special steel, nickel-based alloy, or ceramic.
La pièce 10 est montée sur une machine, non représentée mais qui dans l'exemple de la figure l est un tour, afin d'y être usinée à l'aide d'un outil 20 de coupe, ici un outil à charioter. On définira la zone 30 de coupe comme la surface de contact entre l'outil 20 et la pièce 10 à usiner. Sur la figure 1, la zone 30 de coupe a la forme d'un chanfrein. The part 10 is mounted on a machine, not shown but which in the example of FIG. 1 is a lathe, in order to be machined there using a cutting tool 20, here a turning tool. The cutting area 30 will be defined as the contact surface between the tool 20 and the part 10 to be machined. In FIG. 1, the cutting zone 30 has the shape of a chamfer.
La technique utilisée pour tourner la pièce 10 est celle de l'usinage assisté par laser selon laquelle un faisceau laser de coupe est focalisé en un point 11 de la pièce 10 dans ou à proximité de la zone 30 de coupe à l'aide de moyens de focalisation qui seront décrits plus loin en regard des figures 3 à 5. The technique used for turning the workpiece 10 is that of laser assisted machining according to which a cutting laser beam is focused at a point 11 of the workpiece 10 in or near the cutting area 30 using means focusing which will be described later with reference to Figures 3 to 5.
Le faisceau laser de coupe est issu par exemple d'une source de rayonnement infra-rouge telle qu'un laser YAG ou C02 fonctionnant en continu. The cutting laser beam comes for example from a source of infrared radiation such as a YAG or C02 laser operating continuously.
La puissance dudit faisceau laser de coupe est telle que le matériau de la pièce 10 dans la zone 30 de coupe est amené au moins à la température AC1 du début de transformation austénitique dudit matériau. On peut voir sur la figure 2 un diagramme température-tempstransformation indiquant les différentes phases d'un acier mi-dur délimitées par les transitions AC1 de début de transformation ferrite + perlite/austénite,
AC3 de fin de transformation ferrite + perlite/austénite et MS de début de transformation austénite/martensite.The power of said cutting laser beam is such that the material of the part 10 in the cutting zone 30 is brought at least to the temperature AC1 of the start of austenitic transformation of said material. We can see in FIG. 2 a temperature-tempstransformation diagram indicating the different phases of a semi-hard steel delimited by the AC1 transitions at the start of ferrite + perlite / austenite transformation,
AC3 end of ferrite + perlite / austenite transformation and MS start of austenite / martensite transformation.
Au-delà de la transition ACl, l'apparition de la phase austénitique s'accompagne d'un ramollissement du matériau qui réduit de manière significative, jusqu'à 80%, les efforts de coupe ainsi que les vibrations. Beyond the ACl transition, the appearance of the austenitic phase is accompanied by a softening of the material which significantly reduces, up to 80%, the cutting forces as well as the vibrations.
Le dimensionnement de la puissance du faisceau laser de coupe doit, bien entendu, tenir compte d'un certain nombre de paramètres comme, par exemple, la nature du matériau de la pièce 10 à usiner, les conditions de coupe, l'état de surface avant et après usinage, forme et métallurgie de l'outil. The dimensioning of the power of the cutting laser beam must, of course, take into account a certain number of parameters such as, for example, the nature of the material of the workpiece 10 to be machined, the cutting conditions, the surface condition before and after machining, shape and metallurgy of the tool.
A titre d'exemple, pour un tour à axe horizontal tournant à grande vitesse, au moins 4500 tour/mn, afin d'obtenir des vitesses de coupe supérieures à 200 m/mn sur des pièces typiquement de 25 mm de diamètre, on peut, avec un faisceau laser de coupe d'environ 3 kW focalisé en amont de la zone de cisaillement de coupe à 3 mm du bec de l'outil 20, atteindre une température comprise entre 700 et 11000C pour des aciers mi-durs, s'accompagnant d'une réduction des efforts allant de 40 à 70%. For example, for a lathe with a horizontal axis rotating at high speed, at least 4500 rpm, in order to obtain cutting speeds greater than 200 m / min on pieces typically 25 mm in diameter, it is possible to , with a cutting laser beam of around 3 kW focused upstream from the cutting shear zone 3 mm from the nozzle of the tool 20, reaching a temperature of between 700 and 11000C for semi-hard steels, s' accompanying a reduction in efforts ranging from 40 to 70%.
Comme le montre la figure 1, le dispositif d'usinage et de traitement de surface combinés conforme à l'invention comprend un second faisceau laser, dit de traitement de surface, focalisé en un point 12 de la pièce 10 en aval de la zone 30 de coupe par rapport à la direction d'avancement de l'outil 20 de coupe. Ce faisceau laser de traitement de surface a pour but d'amener, après usinage, le matériau de la pièce 10 en phase martensitique, plus dure, par auto-trempage à partir de la phase austénitique, ainsi que l'illustre la figure 2. As shown in FIG. 1, the combined machining and surface treatment device according to the invention comprises a second laser beam, called a surface treatment laser, focused at a point 12 of the part 10 downstream of the zone 30 cutting relative to the direction of advance of the cutting tool 20. The purpose of this surface treatment laser beam is to bring, after machining, the material of the part 10 into the harder martensitic phase, by self-dipping from the austenitic phase, as illustrated in FIG. 2.
A cet effet, ledit faisceau laser de traitement de surface peut, dans les mêmes conditions que précédemment, avoir une puissance de 5 kW de manière à amener dans un premier temps le matériau de la pièce 10 en phase austénitique à une température supérieure à 10000C pour ensuite obtenir par trempage dans la matière un durcissement martensitique de dureté HV supérieure à 75 sur des profondeurs jusqu'à 0,5 mm pour des aciers de teneur en carbone d'au moins 0,5%. To this end, said surface treatment laser beam can, under the same conditions as above, have a power of 5 kW so as to firstly bring the material of the part 10 in the austenitic phase to a temperature above 10000C for then obtain by soaking in the material a martensitic hardening of HV hardness greater than 75 on depths up to 0.5 mm for steels with carbon content of at least 0.5%.
La figure 3 donne un premier exemple de réalisation du dispositif objet de l'invention dans lequel, conformément à la figure 1, les faisceaux laser de coupe Fc et de traitement de surface Ft sont distincts, le premier étant focalisé sur le chanfrein 30 de coupe et le second, légèrement en aval. FIG. 3 gives a first exemplary embodiment of the device which is the subject of the invention in which, in accordance with FIG. 1, the laser beams of cut Fc and of surface treatment Ft are distinct, the first being focused on the chamfer of cut and the second, slightly downstream.
Les deux faisceaux laser Fc, Ft sont issus d'une même source 40 de rayonnement laser, laser YAG ou CO2 continu par exemple. La séparation du faisceau initial Fo émis par la source 40 est effectué par une lame semi-transparente La. Le rayonnement transmis par ladite lame La constitue le faisceau laser Fc de coupe qui est repris par une tête tournante 61 de focalisation, type guide d'onde, apte à focaliser le faisceau laser Fc sur la zone 30 de coupe de la pièce 10 à usiner. De même, le faisceau laser Ft de traitement de surface est formé par le rayonnement réfléchi par la lame semi-transparente La qui, après réflexion sur un miroir déflecteur M3, en cuivre, est repris de la même façon par une deuxième tête tournante 62 de focalisation du faisceau laser Ft en aval de la zone 30 de coupe. The two laser beams Fc, Ft come from the same source 40 of laser radiation, YAG laser or continuous CO2 for example. The initial beam Fo emitted by the source 40 is separated by a semi-transparent blade La. The radiation transmitted by said blade La constitutes the cutting laser beam Fc which is taken up by a rotating focusing head 61, guide type wave, able to focus the laser beam Fc on the cutting zone 30 of the part 10 to be machined. Similarly, the laser beam Ft for surface treatment is formed by the radiation reflected by the semi-transparent plate La which, after reflection on a deflector mirror M3, made of copper, is taken up in the same way by a second rotating head 62 of focusing of the laser beam Ft downstream of the cutting zone 30.
L'outil 20 de coupe est monté sur un chariot transversal 21 pour déplacer ledit outil perpendiculairement à l'axe de la pièce 10. Ledit chariot transversal 21 est lui-même placé sur un chariot longitudinal 22 qui déplace l'ensemble chariot transversal/outil parallèlement à l'axe de la pièce 10. The cutting tool 20 is mounted on a transverse carriage 21 for moving said tool perpendicular to the axis of the workpiece. Said transverse carriage 21 is itself placed on a longitudinal carriage 22 which moves the transverse carriage / tool assembly parallel to the axis of the part 10.
Afin de solidariser les têtes 61, 62 de focalisation du mouvement de l'outil 20 de coupe, le trajet du faisceau laser initial Fo est, après passage à travers un dispositif 50 de rattrapage d'alignement, divisé en trois segments orthogonaux respectivement parallèles aux directions Z, Y et X de l'espace, au moyen de miroirs M1 et M2 de renvoi à 900 en cuivre. In order to secure the heads 61, 62 for focusing the movement of the cutting tool 20, the path of the initial laser beam Fo is, after passing through an alignment take-up device 50, divided into three orthogonal segments respectively parallel to the directions Z, Y and X of space, by means of mirrors M1 and M2 of reference to 900 in copper.
Des dispositifs 51, 52, 53 de déplacement en translation respectivement selon ces trois directions, asservis sur les mouvements de l'outil 20 de coupe, assurent le maintien de la focalisation du faisceau laser Fc de coupe dans la zone 30 de coupe et celle du faisceau laser Ft de traitement de surface en aval de ladite zone.Devices 51, 52, 53 for translational movement respectively in these three directions, controlled by the movements of the cutting tool 20, ensure that the laser beam Fc cutting is focused in the cutting zone 30 and that of the surface treatment laser beam Ft downstream of said zone.
Dans le mode de réalisation de la figure 4, la séparation du faisceau laser initial Fo en deux sousfaisceaux Fc et Ft est réalisé à l'aide du miroir double M3 en cuivre et des miroirs de renvoi M4 et M5. In the embodiment of FIG. 4, the separation of the initial laser beam Fo into two sub-beams Fc and Ft is carried out using the double copper mirror M3 and the return mirrors M4 and M5.
Enfin, la figure 5 montre un autre exemple de réalisation dans lequel le faisceau laser initial Fo n'est pas séparé et constitue en lui-même le faisceau laser Fc de coupe focalisé sur la zone 30 de coupe par la seule tête tournante 60 de focalisation. Le faisceau laser Ft de traitement de surface est obtenu au moyen d'un récupérateur 70 d'énergie du faisceau laser Fc de coupe, installé sur le chariot longitudinal 22, après réflexion du faisceau laser Fc sur le chanfrein de la zone 30 de coupe. Finally, FIG. 5 shows another exemplary embodiment in which the initial laser beam Fo is not separated and constitutes in itself the cutting laser beam Fc focused on the cutting zone 30 by the single rotating head 60 for focusing . The laser beam Ft for surface treatment is obtained by means of an energy recuperator 70 of the cutting laser beam Fc, installed on the longitudinal carriage 22, after reflection of the laser beam Fc on the chamfer of the cutting zone 30.
I1 faut également mentionner une variante avantageuse du dispositif de l'invention consistant dans le fait que les faisceaux laser de coupe et de traitement de surface ne forment qu'un seul et unique faisceau laser, le faisceau initial Fo. Dans ce cas, la focalisation des points 11 et 12 confondus est ajustée en bordure aval de zone 30 de coupe, juste au pied du chanfrein de manière à permettre en un seul chauffage du matériau entre 10000C et 11000C, à une vitesse de coupe des 100 m/mn, d'austéniser et de ramollir simultanément le matériau coupé à chaud lors du refroidissement avant transformation martensitique. It is also necessary to mention an advantageous variant of the device of the invention consisting in the fact that the laser beams for cutting and surface treatment form only one single laser beam, the initial beam Fo. In this case, the focus of the points 11 and 12 combined is adjusted at the downstream edge of the cutting zone 30, just at the foot of the chamfer so as to allow, in a single heating of the material between 10000C and 11000C, at a cutting speed of 100 m / min, to austenize and simultaneously soften the hot cut material during cooling before martensitic transformation.
Cette variante présente l'avantage de simplifier à un seul trajet les moyens de focalisation laser.This variant has the advantage of simplifying the laser focusing means to a single path.
La description ci-dessus du dispositif d'usinage et de traitement de surface combinés d'une pièce mécanique conduit à mettre en oeuvre un procédé qui comprend les étapes suivantes - générer un faisceau laser Fc de coupe, - focaliser 61, 60 ledit faisceau laser Fc sur ladite
pièce 10 au moins au voisinage de ladite zone 30 de
coupe de manière à amener le matériau de la pièce 10
dans la zone 30 de coupe au moins à la température
Acl de début de transformation austénitique dudit
matériau, - générer un faisceau laser Ft de traitement de
surface, et - focaliser 62, 70 ledit faisceau laser Ft de
traitement de surface sur ladite pièce 10 en aval de
la zone 30 de coupe de manière à amender,
consécutivement à la coupe, le matériau de la pièce
10 en phase martensitique.The above description of the device for machining and surface treatment combined with a mechanical part leads to implementing a method which comprises the following steps - generating a cutting laser beam Fc, - focusing 61, 60 said laser beam Fc on said
room 10 at least in the vicinity of said zone 30 of
cuts so as to bring the material of the part 10
in the cutting zone 30 at least at the temperature
Acl at the start of austenitic transformation of said
material, - generate a laser beam Ft for processing
surface, and - focusing 62, 70 said laser beam Ft of
surface treatment on said part 10 downstream of
the cutting zone 30 so as to amend,
following the cut, the material of the part
10 in martensitic phase.
Le faisceau laser Ft de traitement de surface peut être généré par une même source 40 de rayonnement laser dont le faisceau unique est focalisé en bordure aval de la zone 30 de coupe. The laser beam Ft for surface treatment can be generated by the same source 40 of laser radiation, the single beam of which is focused at the downstream edge of the cutting zone 30.
Le faisceau unique de rayonnement laser émis par une même source 40 peut être séparé pour obtenir le faisceau laser Fc de coupe et le faisceau laser Ft de traitement de surface. The single beam of laser radiation emitted by the same source 40 can be separated to obtain the laser beam Fc for cutting and the laser beam Ft for surface treatment.
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|---|---|---|---|
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- 1996-05-29 FR FR9606617A patent/FR2749204B1/en not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR2749204B1 (en) | 1998-07-31 |
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