FR2946551A1

FR2946551A1 - Rotary tool for machining hardness material e.g. ceramic matrix composite, in machine tool e.g. milling machine, has cutting surface consisting set of edges distributed on circumference of tool in regular manner

Info

Publication number: FR2946551A1
Application number: FR0953856A
Authority: FR
Inventors: Christophe Gerard Regis Grosbois; Damien Hebuterne
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2009-06-10
Filing date: 2009-06-10
Publication date: 2010-12-17
Anticipated expiration: 2029-06-10
Also published as: FR2946551B1

Abstract

The tool (1) has a cutting surface (2) made of single-crystal diamond, where the cutting surface consists of a set of edges distributed on a circumference of the tool in a regular manner. The edges are carried out in a shape of projecting pyramids placed in diamond points. The projecting pyramids comprise a height lower than two milli meters. The cutting surface is in ribs positioned parallel with respect to each other. An independent claim is also included for a process for machining hardness materials.

Description

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Le domaine de la présente invention est celui de l'usinage des matériaux et plus particulièrement celui des matériaux de grande dureté tels que les composites à matrice céramique (CMC) ou à matrice organique (CMO). Les matériaux composites à matrice céramique sont réputés pour leur difficulté à être usinés et leur action abrasive sur les outils qui tentent de les usiner. Peu de matériaux, mis à part le diamant, sont capables de les usiner correctement tout en ayant des durées de vie suffisantes. Le diamant est utilisé le plus couramment dans les outils d'usinage sous une forme polycristalline, ou PCD (Diamant Polycristallin). On le retrouve généralement sous la forme de plaquettes qui sont brasées sur un corps d'outil. Les PCD sont obtenus par frittage de particules de diamant avec un liant chimico-mécanique, tel que du cobalt, sous forte pression et à haute température. Comme pour les carbures, différentes tailles de particules, allant du micron à quelques dizaines de microns (11,tm à 401,tm), sont utilisées pour la fabrication. Le liant cobalt permet la cohésion des grains de diamant et l'association des deux confère des propriétés de coupe intéressantes à l'outil final. Toutefois la matrice cobalt est insuffisamment résistante et les grains de diamant sont peu à peu arrachés lors de l'usinage, ce qui rend le PCD insuffisamment performant dans l'usinage des céramiques. Par ailleurs des outils de coupe ont été imaginés avec un matériau en diamant monocristallin. La suppression de la matrice permet en effet d'éviter le phénomène d'arrachement décrit plus haut et donc d'améliorer la durée de vie de l'outil. Le diamant monocristal (MCD) industriel est obtenu par compaction d'un mélange de poudre, naturelle ou synthétique, de carbone et d'un alliage métallique (nickel, cobalt ou fer) à haute pression et haute température, suivie d'un refroidissement dans des conditions étroitement contrôlées pour piloter la croissance du cristal. Après refroidissement, on libère les diamants de l'alliage métallique à l'aide d'acides. Les dispositifs monocristallins utilisés, tel par exemple que 35 celui décrit dans la demande de brevet US 2008/0 253849, présentent une seule arête et sont bien adaptés à l'usinage de pièces dures par enlèvement de copeaux sur un tour, dans le The field of the present invention is that of the machining of materials and more particularly that of high hardness materials such as ceramic matrix (CMC) or organic matrix (CMO) composites. Ceramic matrix composite materials are renowned for their difficulty in machining and their abrasive action on tools that attempt to machine them. Few materials, apart from diamond, are able to machine them properly while having sufficient lifetimes. Diamond is most commonly used in machining tools in polycrystalline form, or PCD (Polycrystalline Diamond). It is generally found in the form of platelets which are brazed to a tool body. PCDs are obtained by sintering diamond particles with a chemical mechanical binder, such as cobalt, under high pressure and at high temperature. As for carbides, different particle sizes, from micron to tens of microns (11, tm to 401, tm), are used for manufacturing. The cobalt binder allows cohesion of the diamond grains and the combination of the two gives interesting cutting properties to the final tool. However, the cobalt matrix is insufficiently resistant and the diamond grains are gradually torn off during machining, which makes the PCD insufficiently effective in machining ceramics. In addition, cutting tools have been designed with a monocrystalline diamond material. The removal of the matrix makes it possible to avoid the phenomenon of tearing described above and thus to improve the life of the tool. Industrial Monocrystalline Diamond (MCD) is obtained by compaction of a mixture of natural or synthetic powder, carbon and a metal alloy (nickel, cobalt or iron) at high pressure and high temperature, followed by cooling in tightly controlled conditions to drive crystal growth. After cooling, the diamonds are released from the metal alloy with the aid of acids. The monocrystalline devices used, such as, for example, the one described in US patent application 2008/0253849, have a single edge and are well suited for machining hard parts by chip removal on a lathe, in the

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but d'obtenir des pièces de forme cylindrique ou/et conique par des passes successives. Ils ne sont pas propices à la réalisation d'une fraise-lime, qui agit dans l'épaisseur et qui soit capable d'usiner des matériaux très durs, comme les composites à matrice céramique ou organique. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients en proposant un outil qui ne présente pas certains des inconvénients de l'art antérieur et notamment qui permette l'usinage des matériaux en composite à matrice céramique ou à matrice organique dans l'épaisseur, tout en présentant une durée de vie satisfaisante. A cet effet, l'invention a pour objet un outil rotatif pour l'usinage de matériaux de grande dureté, tels que les composites à matrice céramique ou à matrice organique, comportant une surface de coupe réalisée en diamant monocristallin, caractérisé en ce que ladite surface de coupe est constituée par une pluralité d'arêtes de coupe réparties de façon régulière sur la circonférence de l'outil. La pluralité d'arêtes de coupe permet une progression régulière de l'outil et l'absence de phénomènes vibratoires lors de l'usinage des CMC ou des CMO. aim of obtaining parts of cylindrical or / and conical shape by successive passes. They are not conducive to the production of a file cutter, which acts in the thickness and is able to machine very hard materials, such as ceramic or organic matrix composites. The object of the present invention is to remedy these drawbacks by proposing a tool that does not have some of the disadvantages of the prior art and in particular that allows the machining of ceramic matrix or organic matrix composite materials in the thickness, while having a satisfactory life. For this purpose, the subject of the invention is a rotary tool for machining materials of high hardness, such as ceramic matrix or organic matrix composites, comprising a cutting surface made of monocrystalline diamond, characterized in that said cutting surface is constituted by a plurality of cutting edges distributed evenly around the circumference of the tool. The plurality of cutting edges allows a smooth progression of the tool and the absence of vibratory phenomena during the machining of CMC or CMO.

De façon préférentielle les arêtes de coupe sont réalisées sous la forme de pyramides saillantes placées en pointes de diamant. De façon encore plus préférentielle les pyramides saillantes ont une hauteur inférieure à 2 mm. Dans un mode alternatif de réalisation ladite surface de coupe 25 est constituée par des nervures positionnées parallèlement les unes aux autres. Préférentiellement l'outil est réalisé sous la forme d'une fraise-lime. L'invention concerne également un procédé d'usinage pour 30 matériaux de grande dureté, tels que les composites à matrice céramique ou à matrice organique, comportant l'utilisation d'un outil tel que décrit ci-dessus. L' invention sera mieux comprise, et d' autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au 35 cours de la description explicative détaillée qui va suivre, d'un mode de réalisation de l'invention donné à titre d'exemple purement illustratif et non limitatif, en référence aux dessins schématiques annexés. 3 Preferably, the cutting edges are made in the form of protruding pyramids placed in diamond points. Even more preferably, the protruding pyramids have a height of less than 2 mm. In an alternative embodiment said cutting surface 25 is constituted by ribs positioned parallel to each other. Preferably the tool is made in the form of a strawberry-lime. The invention also relates to a machining method for materials of high hardness, such as ceramic matrix or organic matrix composites, comprising the use of a tool as described above. The invention will be better understood, and other objects, details, features and advantages thereof will become more clearly apparent from the following detailed explanatory description of an embodiment of the invention given by way of example. purely illustrative and non-limiting example, with reference to the accompanying schematic drawings. 3

Sur ces dessins : - la figure 1 est une vue de face d'un outil selon un mode de réalisation de l'invention, destiné à l'usinage de matériaux en composite 5 à matrice céramique ou à matrice organique ; - la figure 2 est une vue détaillée de la partie terminale de l'outil de la figure 1. En se référant à la figure 1, on voit un outil d'usinage 1 cylindrique du type fraise-lime, qui se termine à son extrémité inférieure 10 par une partie multi-dents 2, qui forme l'organe de coupe. La partie supérieure, sans dents, est destinée à être implantée dans une machine-outil, telle qu'une fraiseuse ou une meuleuse, sur laquelle elle est montée par une liaison classique connue de l'homme du métier. La partie multidents 2 a vocation à usiner des matériaux de très grande dureté, comme 15 des matériaux composites à matrice céramique ou à matrice organique. La partie multi-dents est réalisée en un monocristal de diamant, qui est brasé, ou synthétisé in situ, sur la partie supérieure de l'outil. Ce monocristal est taillé, par un processus d'électroérosion, sous la forme de dents pointues et acérées de façon à générer une surface de coupe pour 20 les matériaux à usiner. En se référant à la figure 2 on voit un mode de réalisation de la partie multi-dents. Les dents sont réalisées sous la forme de pyramides à base carrée 3, dont les arêtes qui font saillie radialement vers l'extérieur de l'outil constituent les dispositifs de coupe. 25 A la différence de l'art antérieur qui ne présente qu'une seule surface de coupe, la multiplicité des arêtes permet une attaque, dans son épaisseur, du matériau à usiner. La dureté du diamant procure une bonne résistance à l'usure de l'outil et lui assure une durée de vie satisfaisante. La multiplicité des arêtes de coupe est essentielle pour obtenir 30 une bonne qualité de l'usinage dans le cas d'un matériau composite, à matrice métallique CMC ou à matrice organique CMO, qui est constitué par un amalgame de fibres orientées dans toutes les directions de l'espace. On constate alors avec ces matériaux que si l'on utilise un outil rotatif à simple surface de coupe celui-ci ne progresse pas de manière 35 régulière et est soumis à des phénomènes vibratoires qui dégradent sa qualité d'usinage. Il ne génère qu'une seule attaque du matériau par tour In these drawings: FIG. 1 is a front view of a tool according to one embodiment of the invention, intended for machining ceramic matrix or organic matrix composite materials; FIG. 2 is a detailed view of the end portion of the tool of FIG. 1. Referring to FIG. 1, a cylindrical machining tool 1 of the strawberry-lime type, which ends at its end, is seen lower by a multi-tooth portion 2, which forms the cutting member. The upper part, without teeth, is intended to be implanted in a machine tool, such as a milling machine or a grinder, on which it is mounted by a conventional connection known to those skilled in the art. The multi-part 2 is intended to machine materials of very high hardness, such as ceramic matrix or organic matrix composite materials. The multi-tooth portion is made of a diamond single crystal, which is brazed, or synthesized in situ, on the upper part of the tool. This single crystal is cut, by a spark erosion process, in the form of sharp and sharp teeth so as to generate a cutting surface for the materials to be machined. Referring to Figure 2 there is shown an embodiment of the multi-tooth portion. The teeth are made in the form of square-based pyramids 3, the edges of which protrude radially outwardly from the tool constitute the cutting devices. Unlike the prior art which has only one cutting surface, the multiplicity of edges allows an attack, in its thickness, of the material to be machined. The hardness of the diamond provides a good resistance to wear of the tool and ensures a satisfactory life. The multiplicity of cutting edges is essential to obtain a good quality of machining in the case of a composite material, with a CMC metal matrix or with an organic matrix CMO, which consists of an amalgam of fibers oriented in all directions. from space. It can then be seen with these materials that if a rotary tool with a single cutting surface is used, it does not progress regularly and is subjected to vibration phenomena which degrade its machining quality. It generates only one attack of the material per turn

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de rotation et produit un usinage imparfait du fait d'un phénomène de délaminage des fibres constitutives du matériau composite. Par la multiplication des arêtes de coupe on obtient une réduction des effets de choc constatés auparavant avec des outils à une seule ou même deux surfaces de coupe, et la suppression des phénomènes de résonance vibratoire associés. Au final cela se traduit par une progression plus régulière de l'outil et donc un meilleur contrôle de la coupe. On peut alors augmenter la vitesse de rotation et la vitesse d'avancement de l'outil et ainsi effectuer l'usinage du matériau dans des temps plus courts. L'invention propose donc un outil cylindrique du type fraise-lime dont l'extrémité est réalisée en diamant monocristallin et dont la périphérie extérieure est constituée par une multitude d'arêtes de coupe. of rotation and produces an imperfect machining due to a phenomenon of delamination of the constituent fibers of the composite material. The multiplication of the cutting edges results in a reduction of the impact effects previously observed with tools with only one or two cutting surfaces, and the elimination of the associated vibration resonance phenomena. In the end this results in a more regular progression of the tool and therefore a better control of the cut. We can then increase the speed of rotation and the forward speed of the tool and thus perform the machining of the material in shorter times. The invention therefore proposes a cylindrical tool of the cutter-lime type whose end is made of monocrystalline diamond and whose outer periphery is constituted by a multitude of cutting edges.

Pour obtenir ce résultat les arêtes ont, de préférence, la forme de pyramides régulières à base carrée 3 dont le sommet est dirigé vers l'extérieur de l'outil. Elles sont disposées selon une configuration dite en pointes de diamant. Dans une version alternative, non représentée, les arêtes peuvent être des nervures alignées parallèlement les unes aux autres pour constituer une surface abrasive. L'alignement de ces nervures peut être réalisé dans l'axe de rotation de l'outil ou être incliné par rapport à cet axe. On va maintenant décrire le processus de réalisation d'un outil 25 d'usinage des matériaux en CMC ou CMO selon un mode de réalisation de l'invention. Un mono cristal de diamant est synthétisé de façon connue sous la forme a priori d'un cylindre ; ce procédé pourrait tout aussi bien être appliqué à une portion de sphère ou à une toute autre forme 30 géométrique, selon l'utilisation envisagée pour l'outil. Il est ensuite monté, par brasure, en extrémité du corps de l'outil 1 ; le cristal peut également, dans une version alternative, être réalisé directement in situ, sur l'outil, par croissance à partir d'un germe. La partie diamant est ensuite taillée et affûtée sous la forme de 35 dents pointues et acérées, a priori par électroérosion. Ces dentures sont agencées en pointe de diamant, c'est-à-dire qu'elles ont la forme de pyramides régulières à base carrée 3. A titre d'exemple les pyramides présentent une base carrée de 2 mm de côté et une hauteur de 1 mm. Ces dimensions peuvent varier autour de ces valeurs, en fonction de l'état de surface recherchée, modifiant ainsi l'engagement des pointes diamant dans le matériau à usiner. Préférentiellement la hauteur des pyramides n'excède pas 2 mm. En associant les qualités mécaniques du diamant avec l'acuité et le grand nombre des arêtes de coupe des dentures en pointe de diamant, on obtient un outil capable d'usiner conventionnellement, à la manière d'un outil rotatif, des matériaux très durs comme les CMC ou les CMO. Bien que l'invention ait été décrite en relation avec plusieurs modes de réalisation particuliers, il est bien évident qu'elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de l'invention. In order to obtain this result, the ridges preferably have the shape of regular square-base pyramids 3 whose apex is directed towards the outside of the tool. They are arranged in a configuration called diamond points. In an alternative version, not shown, the ridges may be ribs aligned parallel to each other to form an abrasive surface. The alignment of these ribs can be made in the axis of rotation of the tool or be inclined relative to this axis. The process of producing a tool for machining CMC or CMO materials according to one embodiment of the invention will now be described. A mono diamond crystal is synthesized in a known manner in the form of a priori cylinder; this method could equally well be applied to a sphere portion or to any other geometrical shape, depending on the use envisaged for the tool. It is then mounted, by brazing, at the end of the body of the tool 1; the crystal can also, in an alternative version, be produced directly in situ, on the tool, by growth from a seed. The diamond part is then cut and sharpened in the form of pointed and sharp teeth, a priori by electroerosion. These toothings are arranged in a diamond point, that is to say that they have the shape of regular pyramids with a square base 3. By way of example, the pyramids have a square base of 2 mm on a side and a height of 1 mm. These dimensions may vary around these values, depending on the desired surface condition, thus changing the engagement of the diamond tips in the material to be machined. Preferably, the height of the pyramids does not exceed 2 mm. By combining the mechanical qualities of the diamond with the sharpness and the large number of cutting edges of the diamond tip teeth, we obtain a tool capable of conventionally machining, in the manner of a rotary tool, very hard materials such as CMCs or CMOs. Although the invention has been described in connection with several particular embodiments, it is obvious that it includes all the technical equivalents of the described means and their combinations if they fall within the scope of the invention.

Claims

REVENDICATIONS1. Rotary tool for machining high hardness materials, such as ceramic matrix or organic matrix composites, having a cutting surface (2) made of monocrystalline diamond, characterized in that said cutting surface is constituted by a plurality cutting edges distributed evenly around the circumference of the tool.

2. Tool according to claim 1 wherein the cutting edges are formed in the form of protruding pyramids (3) placed in diamond points.

3. Tool according to claim 2 wherein the protruding pyramids (3) have a height less than 2 mm.

4. Rotary tool according to claim 1 wherein said cutting surface is constituted by ribs positioned parallel to each other.

5. Tool according to one of claims 1 to 4 made in the form of a strawberry-lime.

Machining method for materials of high hardness, such as ceramic matrix or organic matrix composites, comprising the use of a tool (1) according to one of claims 1 to 5.