WO2019175495A1 - Procédé d'usinage d'une denture à pas variable sur une crémaillère de direction - Google Patents

Procédé d'usinage d'une denture à pas variable sur une crémaillère de direction Download PDF

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WO2019175495A1
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axis
cutting tool
rack
rotation
yaw
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PCT/FR2019/050519
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Inventor
Pascal VIZIER
Jean-Michel SANIEZ
Benoit CAMPALTO
Emeric RICHARD-VITTON
Jean-Christophe ORSET
Alain ISSARTEL
Original Assignee
Jtekt Europe
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23F—MAKING GEARS OR TOOTHED RACKS
    • B23F1/00—Making gear teeth by tools of which the profile matches the profile of the required surface
    • B23F1/06—Making gear teeth by tools of which the profile matches the profile of the required surface by milling
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23C—MILLING
    • B23C3/00—Milling particular work; Special milling operations; Machines therefor
    • B23C3/28—Grooving workpieces
    • B23C3/34—Milling grooves of other forms, e.g. circumferential
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D3/00—Steering gears
    • B62D3/02—Steering gears mechanical
    • B62D3/12—Steering gears mechanical of rack-and-pinion type
    • B62D3/126—Steering gears mechanical of rack-and-pinion type characterised by the rack
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23C—MILLING
    • B23C1/00—Milling machines not designed for particular work or special operations
    • B23C1/14—Milling machines not designed for particular work or special operations with rotary work-carrying table
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23C—MILLING
    • B23C5/00—Milling-cutters
    • B23C5/02—Milling-cutters characterised by the shape of the cutter
    • B23C5/08—Disc-type cutters

Definitions

  • the present invention relates to methods of manufacturing racks, that is to say, toothed bars, which are intended for example for steering mechanisms used in vehicles.
  • a rack variable pitch that is to say, the gear has a pitch (distance between two successive teeth) which is not constant.
  • the rack comprises on the one hand a toothing formed of teeth and, on the other hand a back of teeth opposite the teeth.
  • a tooth comprises a first flank and a second flank, generally symmetrical to the first flank, and a vertex connecting the first flank to the second flank.
  • Such a variable pitch makes it possible to confer a variable gear ratio between the rack and a pinion which meshes with it.
  • a forging process in the course of which the rod to be formed is compressed vertically between two main punches, including a lower punch forming a cradle which bears against the back of the bar, and an upper punch, dentate, which forms the teeth on the opposite side of the bar.
  • the method is relatively inaccurate, so that the dimensional tolerances of the teeth can reach several tenths of a millimeter, which is not compatible with a precise meshing and fluid.
  • This method is very dispersive on the location along a longitudinal axis of the rack of the back of teeth with respect to the toothing (+/- 0.3mm while machining can easily reach +/- 0.06mm) which can generate guiding issues.
  • some designs can not be obtained by forging.
  • the lateral punches tend to modify the section of the bar, and in particular to shrink said section, which makes said bar more sensitive to bending.
  • the forging requires heating the rack, which causes annealing of the material causing a decrease in the mechanical strength limit of said rack.
  • the forging does not make it possible to make deep teeth, the maximum height of the teeth likely to be reached by this method being in practice limited to about 3.5 mm.
  • the forging process causes the tooth surfaces to be connected to one another by means of curves instead of sharp edges, which reduces the contact surface of the rack with the pinion and contributes to the increase of the pressures of the tooth. contact.
  • cycle time the manufacturing time
  • the objects assigned to the invention therefore seek to overcome the aforementioned drawbacks and to propose a new method of manufacturing toothed racks with variable pitch that allows a fast and accurate manufacturing and is inexpensive to implement.
  • the objects assigned to the invention are achieved by means of a method of machining a variable pitch toothing on a rack, said method being characterized in that it is implemented by a machine tool which is provided with a rotary cutting tool other than a ball mill and which comprises at least five axes for positioning said cutting tool relative to the rack, namely a first axis of translation, a second axis of translation and a third axis of translation, forming a direct trihedron, a first axis of rotation for modifying a yaw position around a yaw axis parallel to the first axis of translation, and a second axis of rotation for orienting a position in roll around the yaw second translation axis, and in that said method comprises at least one cutting phase during which the tool is driven in "five
  • a yawing motion of an object is a horizontal rotational movement of the object about a vertical axis.
  • the lace movement corresponds to the succession of yaw positions of the object.
  • a rolling motion of an object is a rotational movement of the object about its longitudinal axis.
  • control over five axis continuously that is to say by refreshing and adapting to each iteration, for several successive iterations, the position of the cutting tool according to each of the five aforementioned axes, and judiciously chosen, allowed to follow at any time the profile of the surface of the tooth flank being cut, and this including a non-spherical cutting tool, and in particular with a cylindrical cutting tool, such as a disc mill, which has a material removal capacity much greater than the capacity of a spherical milling cutter.
  • a five-axis machine suitably configured makes it possible to use a cutting tool other than a milling cutter, and in particular a cutting tool more efficient and having a much higher performance in terms of amount of material removed per unit of time.
  • the invention advantageously makes it possible to combine the high precision of the machining with a very short cycle time per tooth, of between 2 and 10 minutes, depending on the curvature of the tooth flanks, ie the profile of the teeth. the surface of the tooth flank.
  • the method according to the invention thus saves time and precision.
  • the invention has a great versatility, insofar as it allows the need to quickly change the manufacturing range (dimensions of the rack, number of teeth, tooth profile, etc.) by a change in the machining program. of the machine tool, from a gear definition calculation file that defines the desired rack, without the need to manufacture new tools.
  • Figure 1 illustrates, in a schematic perspective view, a vehicle steering mechanism portion comprising a pinion which meshes with a variable pitch toothing rack manufactured according to the method object of the invention.
  • Figure 2 illustrates, in a partial sectional view in a normal plane of the variable pitch toothing, a tooth section showing the pressure angle.
  • Figure 3 illustrates, in a partial view in top projection, a tooth of the variable pitch toothing, showing the helix angle.
  • FIG. 4 illustrates an example of a disk mill according to a first embodiment that can be used as a cutting tool in the method according to the invention.
  • FIG. 5 illustrates an example of a disk mill according to a second embodiment that can be used as a cutting tool in the method according to the invention.
  • FIG. 6 illustrates, in a diagrammatic perspective view, an example of a five-axis machine tool arrangement according to the invention.
  • FIG. 7 illustrates, in a detailed view, the machining of variable pitch toothing by means of the disk mill according to the first embodiment, according to a method according to the invention.
  • FIG. 8 illustrates, in a detailed view, the machining of variable pitch toothing by means of the disk mill according to the second embodiment, according to a method according to the invention.
  • FIG. 9 illustrates a coefficient of reduction of the rack with variable pitch as a function of a rotation of the pinion.
  • the invention relates to a method of machining a toothing 1 with variable pitch on a rack 2.
  • machining method is meant a method of removing material by cutting chips by means of a cutting tool 3 movable, preferably a rotary cutting tool 3 such as a milling cutter, which is rotated around from its own central axis L3 to obtain the cutting effect.
  • the rack 2 is made by cutting a toothing 1 in a straight bar, preferably metal for mechanical strength problems during the use of said rack.
  • the toothing 1 has a variable pitch PI, that is to say that the interval PI which axially separates two successive teeth 4 varies according to the position and the curvature of said teeth 4 along the longitudinal axis L2 of the rack 2 .
  • a short pitch PI can be provided in the central zone 8 of the rack 2, so as to obtain a greater precision of the steering maneuvers in the vicinity of the straight line. and then to increase the pitch PI when one moves away from the median zone towards extreme zones 9, 10 of the rack, so as to accelerate the large-scale movements, in particular during the parking maneuvers.
  • the difference in behavior of the steering movements in the median zone 8 and the end zones 9, 10 is represented by the curve 20 of FIG.
  • the method is implemented by a machine tool 11 which is provided with a rotating cutting tool 3, other than a ball mill.
  • this type of cutting tool 3, non-spherical, and more particularly forming a disk around the central axis L3, makes it possible to obtain a higher yield than that of a ball mill, in terms of the quantity of material removed. per tool revolution, and therefore per unit of time.
  • chip flow is calculated by the following formula:
  • Ap is an axial depth of a pass in mm
  • Ae is a radial depth of a pass in mm
  • Vf is the feedrate of the tool in mm / min.
  • the cutting tool 3 is formed by a disk mill, such as that shown in Figure 7, or Figure 8, or in section in Figures 4 and 5.
  • a disk mill is in the form of a circular disk, wider radially than thick axially (vis-à-vis the central axis L3), and whose perimeter is lined with cutting teeth 12, commonly called pads.
  • the machine tool 11 comprises at least five axes X, Y, Z, B, C, or exactly exactly five axes, which make it possible to position the cutting tool 3 relative to the rack 2, namely a first translation axis Z, a second translation axis Y, perpendicular to the first translation axis Z, and a third translation axis X, perpendicular to the two previous ones, so that the three axes translation X, Y, Z form a direct trihedron, and a first axis of rotation C for changing a yaw position, about a yaw axis Z13 parallel to the first translation axis Z, and a second axis of rotation B for orienting a roll position about the second translation axis Y.
  • the first translation axis Z is vertical relative to a turntable 13 on which is fixed the rack 2, the other two axes Y, X being horizontal, that is to say parallel to the plane
  • translation axes X, Y, Z may for example be materialized by linear motorized translation tables, for example translation tables ball screw or roller rails.
  • the triad X, Y, Z advantageously defines the machine mark associated with the frame of the machine tool 11.
  • the first axis of rotation C makes it possible to modify the yaw position of the cutting tool 3 with respect to the rack 2 and the second axis of rotation B makes it possible to orient the roll position of the rack .
  • the first axis of rotation C makes it possible to modify the yaw position of the rack 2 with respect to the cutting tool 3 and the second axis of rotation B makes it possible to orient the roll position of the cutting tool.
  • the position of the rack 2 about the first yaw axis C, Z13 also called the yaw orientation, will be achieved by means of a turntable 13 centered on the axis Z13 and mounted on the frame of the machine tool 11.
  • the rack 2 will be fixed on said turntable 13 by means of a flange 14 with jaws 15, 16.
  • the roll orientation B is achieved by tilting the tool head 17 of the machine, and therefore the central axis L3 of the cutting tool 3, pivotally about the second translation axis Y.
  • the method comprises at least one cutting phase during which the cutting tool 3 is driven in "five continuous axes", while simultaneously modifying, during the same iteration, the spatial control component of each of said five axes X, Y, Z, B, C, while the cutting tool 3 rotates and is applied (without stopping) in contact with the surface of the tooth 4 which is being cut.
  • the "continuous" operation consists in modifying, during the same iteration, and therefore almost simultaneously, on the one hand the position of the tool head 17, and therefore of the cutting tool 3, on each of the translation axes X, Y, Z, in thus actuating a displacement in proper translation on each of the three motorized X, Y, Z translation axes, and on the other hand the yaw and roll orientation of the tool head 17, and therefore of the cutting tool 3 , on each of the corresponding axes of rotation C, B, by actuating a displacement in proper rotation on each of these two motorized axes of rotation in yaw C and in roll B.
  • the position reference respectively the orientation instruction, specific to each of the five axes X, Y, Z, B, C is thus refreshed and modified at each iteration, repeatedly during a plurality of iterations. successive, and that so as to reposition permanently, and without saccade, the cutting tool 3, without it being necessary to interrupt the rotation of the cutting tool 3 on its central axis L3 or take off the cutting tool 3 of the surface of the tooth 4 to be machined, and so as to properly orient the cutting edge of the cutting tool 3 according to the vector normal to the surface to be machined, at the (spatial) point considered, at each instant considered.
  • This control in five continuous axes advantageously makes it possible to cut the left surfaces of the teeth 4 by a cutting tool 3 non-spherical, high performance, and that will at any time “stick” to the surface to be cut, on (contact de) which said cutting tool 3 moves.
  • a machine tool 11 could be provided with more axes, and in particular six axes, since, among these six axes, the five above are found, and said five axes are actuated. continuously.
  • the relative trim of the cutting tool 3 relative to the rack 2, as permitted and controlled by the first axis of rotation C and the second axis of rotation B roll, allows to to adapt the cutting operation, at any moment, to the helix angle b (yaw C) at the pressure angle a (roll B) and which it is desired to impart to the flank of the tooth 4 to the moment and at the point considered.
  • the tooth 4 being cut has a helix angle b, and the angle control helix b of tooth 4 being cut is assigned to the first axis of rotation in yaw C.
  • the orientation setpoint is also modified along the axes X and Y.
  • the spatial configuration of the cutting tool 3 is adapted to the helix angle b desired at the point considered of the surface of the tooth 4, at the instant considered.
  • the steering of the pressure angle ⁇ of tooth 4 during cutting is assigned to the second axis of rotation in roll B.
  • the setpoint d is also modified. orientation according to the first axis of rotation in yaw C and thus also changes the setpoint along the three translation axes X, Y, Z.
  • the spatial configuration of the cutting tool 3 is adapted to the pressure angle desired at the considered point of the surface of the tooth 4, at the moment considered.
  • both the helix angle b is controlled by means of the first yaw axis C, Z13 and, distinctly, the pressure angle a by means of the second axis of rotation in roll B.
  • the method comprises a programming step in which a computer tool manufacturing file (11) is generated by means of a computer, and computer-aided manufacturing (CAM) software, which includes : the coordinates (x, y, z) of a target point of the surface to be machined according to each of the first, second and third translation axis X, Y, Z, the steering setpoint of the rack 2, here more particularly the orientation set of the turntable 13, in lace along the first axis of rotation C, as a function of the desired helix angle b for the surface to be cut, and the rolling control setpoint according to the second axis of rotation B , depending on the angle of pressure wanted for the surface to be cut.
  • CAM computer-aided manufacturing
  • control file of the machine tool 11 also comprises the coordinates (Nx, Ny, Nz) of the vector normal to the surface to be machined at the point in question.
  • the invention will as such include the use of a machine tool 11 with five axes X, Y, Z, B, C continuous provided with a rotary cutting tool 3 other than a milling cutter for machining a toothing 1 variable PI pitch on a rack 2, and more particularly on a rack 2 direction.
  • the invention also relates to a power steering system provided with a rack 2 obtained according to the method of the invention, and a vehicle equipped with such a power steering system.

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Abstract

L'invention concerne un procédé d'usinage d'une denture (1) à pas (PI) variable sur une crémaillère (2), ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il est mis en œuvre par une machine-outil qui est pourvue d'un outil coupant (3) rotatif autre qu'une fraise-boule et qui comprend au moins cinq axes (X, Y, Z, B, C) permettant de positionner ledit outil coupant (3) par rapport à la crémaillère (2), à savoir un premier (Z), un second (Y) et un troisième (X) axe de translation, formant un trièdre direct, un premier axe de rotation (C) permettant de modifier une position en lacet, autour d'un axe de lacet (Z13) parallèle au premier axe de translation (Z), et un second axe de rotation (B) permettant d'orienter une position en roulis autour du second axe de translation (Y), et en ce que ledit procédé comprend au moins une phase de coupe au cours de laquelle on pilote l'outil coupant (3) en « cinq axes continus », en modifiant simultanément, au cours d'une même itération, la composante de pilotage spatiale de chacun desdits cinq axes (X, Y, Z, B, C), tandis que l'outil coupant (3) tourne et est appliqué au contact de la surface de la dent (4) qui est en cours de taillage.

Description

Procédé d'usinage d'une denture à pas variable sur une crémaillère de direction
La présente invention concerne les procédés de fabrication des crémaillères, c'est-à-dire des barreaux dentés, qui sont destinées par exemple aux mécanismes de direction utilisés dans des véhicules.
Dans certaines applications, il est utile de disposer d'une crémaillère à pas variable, c'est-à-dire dont la denture présente un pas (distance entre deux dents successives) qui n'est pas constant. La crémaillère comprend d'une part une denture formée de dents et, d'autre part un dos de denture opposé à la denture. En outre, une dent comprend un premier flanc et un second flanc, généralement symétrique au premier flanc, et un sommet reliant le premier flanc au second flanc.
Un tel pas variable permet en effet de conférer un rapport de démultiplication variable entre la crémaillère et un pignon qui engrène sur celle-ci.
Ainsi, par exemple, en utilisant un pas plus petit, c'est-à-dire des dents plus rapprochées, au milieu de la crémaillère qu'aux extrémités de ladite crémaillère, on obtient une progressivité de la commande direction, qui est plus précise au voisinage de la ligne droite, pour de faibles déplacements du volant de conduite, et plus rapide lors de grands déplacements du volant de conduite, lors de la prise de virage ou de manœuvres de stationnement.
Pour fabriquer de telles crémaillères, on connaît notamment un procédé de forgeage, au court duquel on comprime verticalement le barreau à former entre deux poinçons principaux, dont un poinçon inférieur formant un berceau qui vient en appui au dos du barreau, et un poinçon supérieur, denté, qui forme les dents sur la face opposée du barreau.
Au cours de ce procédé, l'action des deux poinçons verticaux est nécessairement complétée par l'action simultanée de deux poinçons latéraux, qui repoussent et font remonter la matière du barreau à l'encontre du poinçon supérieur denté. Ce procédé permet d'assurer le remplissage du poinçon supérieur denté.
Si une telle fabrication par forgeage donne globalement des résultats satisfaisant, elle comporte toutefois certains inconvénients.
Tout d'abord, le procédé est relativement peu précis, si bien que les tolérances dimensionnelles des dents peuvent atteindre plusieurs dixièmes de millimètres, ce qui est peu compatible avec un engrènement précis et fluide.
Ce procédé est très dispersif sur la localisation selon un axe longitudinal de la crémaillère du dos de denture par rapport à la denture (+/-0,3mm alors qu'en usinage on peut aisément atteindre +/-0,06mm) ce qui peut générer des problématiques de guidage. En fonction de la forme concave/convexe de certains flancs de dent, liés à un changement de démultiplication rapide, certains designs ne peuvent être obtenus par forge.
De plus, les poinçons latéraux tendent à modifier la section du barreau, et notamment à rétrécir ladite section, ce qui rend ledit barreau plus sensible à la flexion.
En outre, le forgeage nécessite de chauffer la crémaillère, ce qui occasionne un recuit du matériau à l'origine d'un amoindrissement de la limite de résistance mécanique de ladite crémaillère.
Par ailleurs, le forgeage ne permet pas de réaliser des dents profondes, la hauteur maximale des dents susceptibles d'être atteinte par ce procédé étant en pratique limitée à environ 3,5 mm.
Par ailleurs, le procédé de forgeage entraîne un raccordement des surfaces de la dent entre-elles par des courbes au lieu d'arêtes vives, ce qui réduit la surface de contact de la crémaillère avec le pignon et contribue à l'augmentation des pressions de contact.
Enfin, le forgeage nécessite un outillage encombrant et très coûteux, qui réserve ce procédé aux fabrications en grande séries, et ne permet pas de changer les spécifications de la crémaillère.
A l'inverse, il est également connu, pour des fabrications unitaires de crémaillères spéciales, de recourir à l'usinage par un outil coupant constitué d'une fraise-boule.
De tels procédés d'usinage permettent d'atteindre une précision dimensionnelle bien plus importante, avec des tolérances bien inférieures au dixième de millimètre.
Cependant, l'utilisation d'un tel procédé de taillage par fraise boule augmente considérablement le temps de fabrication (« temps de cycle »), qui peut ainsi atteindre plusieurs heures (de 2h à 4h par crémaillère en fonction du nombre de dent et de la forme concave ou convexe de chaque flanc).
Par conséquent, l'usinage par outil coupant de type fraise boule est inadapté à la fabrication en grande série de crémaillères à pas variable.
Les objets assignés à l'invention visent par conséquent à remédier aux inconvénients susmentionnés et à proposer un nouveau procédé de fabrication de crémaillères à denture à pas variable qui permette une fabrication rapide et précise et qui soit peu onéreux à mettre en œuvre. Les objets assignés à l'invention sont atteints au moyen d'un procédé d'usinage d'une denture à pas variable sur une crémaillère, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il est mis en œuvre par une machine-outil qui est pourvue d'un outil coupant rotatif autre qu'une fraise-boule et qui comprend au moins cinq axes permettant de positionner ledit outil coupant par rapport à la crémaillère, à savoir un premier axe de translation, un second axe de translation et un troisième axe de translation, formant un trièdre direct, un premier axe de rotation permettant de modifier une position en lacet, autour d'un axe de lacet parallèle au premier axe de translation, et un second axe de rotation permettant d'orienter une position en roulis autour du second axe de translation, et en ce que ledit procédé comprend au moins une phase de coupe au cours de laquelle on pilote l'outil en « cinq axes continus », en modifiant simultanément, au cours d'une même itération, la composante de pilotage spatiale de chacun desdits cinq axes, tandis que l'outil coupant tourne et est appliqué au contact de la surface de la dent qui est en cours de taillage.
Un mouvement en lacet d'un objet est un mouvement de rotation horizontal de l'objet autour d'un axe vertical. Le mouvement en lacet correspond à la succession des positions en lacet de l'objet.
Un mouvement en roulis d'un objet est un mouvement de rotation de l'objet autour de son axe longitudinal.
Avantageusement, les inventeurs ont en effet découvert qu'un pilotage sur cinq axe en continu, c'est-à-dire en rafraîchissant et en adaptant à chaque itération, pendant plusieurs itérations successives, la position de l'outil coupant selon chacun des cinq axes susmentionnés, et judicieusement choisis, permettait de suivre à tout moment le profil de la surface du flanc de dent en cours de taillage, et ce y compris avec un outil coupant non sphérique, et notamment avec un outil coupant cylindrique, tel qu'une fraise-disque, qui présente une capacité d'enlèvement de matière bien supérieure à la capacité d'une fraise-boule sphérique.
Ainsi, l'utilisation d'une machine à cinq axes convenablement configurée rend possible l'utilisation d'un outil coupant autre qu'une fraise-boule, et notamment d'un outil coupant plus efficace et présentant un rendement bien supérieur en termes de quantité de matière enlevée par unité de temps.
Ainsi, l'invention permet avantageusement de combiner la grande précision de l'usinage avec un temps de cycle par dent très court, compris entre 2 et 10 minutes en fonction de la courbure des flancs de denture, c'est à dire le profil de la surface du flanc de dent. Le procédé selon l'invention permet ainsi de gagner en temps et en précision.
Enfin, l'invention présente une grande polyvalence, dans la mesure où elle permet au besoin de changer rapidement de gamme de fabrication (dimensions de la crémaillère, nombre de dents, profil de denture, etc.) par un changement du programme d'usinage de la machine-outil, à partir d'un fichier de calcul de définition de la denture qui définit la crémaillère voulue, sans qu'il soit nécessaire de fabriquer un nouvel outillage.
En fonction du profil de la surface du flanc de dent, il peut être nécessaire d'utiliser successivement des outils coupants de forme différente en fonction du pas de la denture. Ces outils coupants peuvent être changés rapidement lorsqu'ils sont positionnés dans un magasin de la machine-outil au préalable.
D'autres objets, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus en détail à la lecture de la description qui suit, ainsi qu'à l'aide des dessins annexés, fournis à titre purement illustratif et non limitatif, parmi lesquels :
La figure 1 illustre, selon une vue schématique en perspective, une portion de mécanisme de direction pour véhicule comprenant un pignon qui engrène sur une crémaillère à denture à pas variable fabriquée selon le procédé objet de l'invention.
La figure 2 illustre, selon une vue partielle en coupe dans un plan normal de la denture à pas variable, une section de dent faisant apparaître l'angle de pression.
La figure 3 illustre, selon une vue partielle en projection de dessus, une dent de la denture à pas variable, en faisant apparaître l'angle d'hélice.
La figure 4 illustre un exemple d'une fraise-disque selon un premier mode de réalisation susceptible d'être employée comme outil coupant dans le procédé selon l'invention.
La figure 5 illustre un exemple d'une fraise-disque selon un second mode de réalisation susceptible d'être employée comme outil coupant dans le procédé selon l'invention.
La figure 6 illustre, selon une vue schématique en perspective, un exemple d'agencement de machine-outil à cinq axes selon l'invention.
La figure 7 illustre, selon une vue de détail, l'usinage d'une denture à pas variable au moyen de la fraise-disque selon le premier mode de réalisation, selon un procédé conforme à l'invention. La figure 8 illustre, selon une vue de détail, l'usinage d'une denture à pas variable au moyen de la fraise-disque selon le second mode de réalisation, selon un procédé conforme à l'invention.
La figure 9 illustre un coefficient de démultiplication de la crémaillère à pas variable en fonction d'une rotation du pignon.
L'invention concerne un procédé d'usinage d'une denture 1 à pas variable sur une crémaillère 2.
Par « procédé d'usinage », on entend un procédé d'enlèvement de matière par découpe de copeaux au moyen d'un outil coupant 3 mobile, de préférence un outil coupant 3 rotatif tel qu'une fraise, qui est entraîné en rotation autour de son propre axe central L3 pour obtenir l'effet de coupe.
La crémaillère 2 est réalisée en taillant une denture 1 dans un barreau rectiligne, de préférence métallique pour des problématiques de résistance mécanique lors de l'utilisation de ladite crémaillère.
La denture 1 possède un pas PI variable, c'est-à-dire que l'intervalle PI qui sépare axialement deux dents 4 successives varie selon la position et la courbure desdites dents 4 le long de l'axe longitudinal L2 de la crémaillère 2.
Ceci permet notamment de faire varier le rapport de démultiplication en fonction de la zone d'engrènement considérée.
Ainsi, dans l'exemple d'un mécanisme de direction 5 pour véhicule, tel que celui illustré sur la figure 1, au sein duquel la crémaillère 2 engrène avec un pignon 6, lui-même entraîné par exemple par un moteur d'assistance et/ou par une colonne de direction 7 reliée à un volant de conduite, on peut prévoir un pas PI court dans la zone médiane 8 de la crémaillère 2, de sorte à obtenir une plus grande précision des manœuvres de direction au voisinage de la ligne droite, puis d'augmenter le pas PI lorsque l'on s'éloigne de la zone médiane vers des zones extrémales 9, 10 de la crémaillère, de sorte à accélérer les mouvements de grande ampleur, notamment lors des manœuvres de stationnement. La différence de comportement des mouvements de direction dans la zone médiane 8 et les zones extrémales 9, 10 est représentée par la courbe 20 de la figure 9 qui illustre un coefficient de démultiplication (gear ratio) de la crémaillère 2 à pas variable en fonction d'une rotation (Pinion Rotation Angle) du pignon 6. Pour un angle de rotation (Pinion Rotation Angle) du pignon 6 proche de 0°, c'est-à-dire dans la zone médiane 8, le rapport de démultiplication est sensiblement constant afin de favoriser la précision de conduite et le ressenti volant en ligne droite. Alors que pour des angles de rotation du pignon 6 compris sensiblement entre 20° et 100° et -20° et -100°, c'est-à-dire dans les zones extrémales 9, 10, le rapport de démultiplication augmente fortement permettant ainsi de favoriser la trajectoire du véhicule.
Selon l'invention, le procédé est mis en œuvre par une machine-outil 11 qui est pourvue d'un outil coupant 3 rotatif, autre qu'une fraise-boule.
Avantageusement, ce type d'outil coupant 3, non sphérique, et plus particulièrement formant un disque autour de l'axe central L3, permet d'obtenir un rendement supérieur à celui d'une fraise-boule, en termes de quantité de matière enlevée par tour d'outil, et donc par unité de temps.
Généralement, on calcule le débit de copeau grâce à la formule suivante :
Q = (Ap x Ae x Vf)/1000.
Où Ap est une profondeur axiale d'une passe en mm, Ae est une profondeur radiale d'une passe en mm et Vf est la vitesse d'avance de l'outil en mm/min.
Ainsi, on obtient les résultats suivants selon les conditions de coupes actuelles :
- Disque : Q = 14,73cm3/min
- Boule 06 : 0. = 0.84 cm3/min
- Boule 04 : O = 0.273 cm3/min
- Boule 02 : O = 0.049 cm3/min
De préférence, l'outil coupant 3 est formé par une fraise-disque, telle que celle représentée sur la figure 7, ou la figure 8, ou en coupe sur les figures 4 et 5.
Une fraise-disque se présente sous forme d'un disque circulaire, plus large radialement qu'épais axialement (vis-à-vis de l'axe central L3), et dont le périmètre est garni de dents coupantes 12, communément appelées plaquettes.
Selon l'invention, et tel que cela est illustré sur la figure 6, la machine- outil 11 comprend au moins cinq axes X, Y, Z, B, C, voire exactement cinq axes, qui permettent de positionner l'outil coupant 3 par rapport à la crémaillère 2, à savoir un premier axe de translation Z, un second axe de translation Y, perpendiculaire au premier axe de translation Z, et un troisième axe de translation X, perpendiculaire aux deux précédents, de sorte que les trois axes de translation X, Y, Z forment un trièdre direct, ainsi qu'un premier axe de rotation C permettant de modifier une position en lacet, autour d'un axe de lacet Z13 parallèle au premier axe de translation Z, et un second axe de rotation B permettant d'orienter une position en roulis autour du second axe de translation Y. De préférence, le premier axe de translation Z est vertical par rapport à un plateau tournant 13 sur lequel est fixé la crémaillère 2, les deux autres axes Y, X étant horizontaux, c'est-à-dire parallèle au plan du plateau tournant.
Ces axes de translation X, Y, Z pourront par exemple être matérialisés par des tables de translation motorisées rectilignes, par exemple tables de translation à vis à billes ou à rails à patins.
Le trièdre X, Y, Z définit avantageusement le repère machine associé au bâti de la machine-outil 11.
Selon un premier mode de réalisation, le premier axe de rotation C permet de modifier la position en lacet de l'outil coupant 3 par rapport à la crémaillère 2 et le second axe de rotation B permet d'orienter la position en roulis de la crémaillère.
Selon un second mode de réalisation, le premier axe de rotation C permet de modifier la position en lacet de la crémaillère 2 par rapport à l'outil coupant 3 et le second axe de rotation B permet d'orienter la position en roulis de l'outil coupant.
Pour plus de clarté dans la suite de la description, nous nous référerons au second mode de réalisation.
De préférence, la position de la crémaillère 2 autour du premier axe de rotation en lacet C, Z13, aussi appelé l'orientation en lacet, sera réalisée au moyen d'un plateau tournant 13 centré sur l'axe Z13 et monté sur le bâti de la machine-outil 11.
De préférence, la crémaillère 2 sera fixée sur ledit plateau tournant 13 au moyen d'une bride 14 à mors 15, 16.
L'orientation en roulis B est réalisée en faisant basculer la tête porte-outil 17 de la machine, et par conséquent l'axe central L3 de l'outil coupant 3, en pivot autour du second axe de translation Y.
Selon l'invention, le procédé comprend au moins une phase de coupe au cours de laquelle on pilote l'outil coupant 3 en « cinq axes continus », en modifiant simultanément, au cours d'une même itération, la composante de pilotage spatiale de chacun desdits cinq axes X, Y, Z, B, C, tandis que l'outil coupant 3 tourne et est appliqué (sans discontinuer) au contact de la surface de la dent 4 qui est en cours de taillage.
Le fonctionnement « continu » consiste à modifier lors de la même itération, et donc quasiment simultanément, d'une part la position de la tête porte- outil 17, et donc de l'outil coupant 3, sur chacun des axes de translation X, Y, Z, en actionnant ainsi un déplacement en translation propre sur chacun des trois axes de translation X, Y, Z motorisés, et d'autre part l'orientation en lacet et en roulis de la tête porte-outil 17, et donc de l'outil coupant 3, sur chacun des axes de rotation C, B correspondants, en actionnant un déplacement en rotation propre sur chacun de ces deux axes motorisés de rotation en lacet C et en roulis B.
Avantageusement, la consigne de position, respectivement la consigne d'orientation, propre à chacun des cinq axes X, Y, Z, B, C est ainsi rafraîchie et modifiée à chaque itération, de manière répétée au cours d'une pluralité d'itérations successives, et ce de manière à repositionner en permanence, et sans saccade, l'outil coupant 3, sans qu'il soit nécessaire d'interrompre la rotation de l'outil coupant 3 sur son axe central L3 ni de décoller l'outil coupant 3 de la surface de la dent 4 à usiner, et de manière à orienter convenablement l'arête coupante de l'outil coupant 3 en fonction du vecteur normal à la surface à usiner, au point (spatial) considéré, à chaque instant considéré.
Ce pilotage en cinq axes continu permet avantageusement de rendre possible le taillage des surfaces gauches des dents 4 par un outil coupant 3 non sphérique, à fort rendement, et qui va à tout instant « coller » à la surface à tailler, sur (au contact de) laquelle ledit outil coupant 3 se déplace.
On notera que les cinq axes décrits ci-dessus suffisent à la mise en œuvre du procédé.
Ceci étant, on pourrait prévoir une machine-outil 11 disposant de davantage d'axes, et notamment de six axes, dès lors que, parmi ces six axes, on retrouve les cinq ci-dessus, et que l'on actionne lesdits cinq axes en continu.
Avantageusement, la modification d'assiette relative de l'outil coupant 3 par rapport à la crémaillère 2, telle qu'elle est permise et contrôlée par le premier axe de rotation en lacet C et le second axe de rotation en roulis B, permet d'adapter l'opération de coupe, à chaque instant, à l'angle d'hélice b (lacet C) à l'angle de pression a (roulis B) et que l'on souhaite conférer au flanc de la dent 4 à l'instant et au point considéré.
Ainsi, selon une caractéristique préférentielle qui peut constituer une invention à part entière, quel que soit notamment le type d'outil coupant 3 utilisé, la dent 4 en cours de taillage présente un angle d'hélice b, et le pilotage de l'angle d'hélice b de la dent 4 en cours de taillage est affecté au premier axe de rotation en lacet C.
En ajustant et en modifiant en temps réel la composante de pilotage spatiale du premier axe de rotation en lacet C, c'est-à-dire la consigne d'orientation en lacet, de l'axe de rotation en lacet C, ici du plateau tournant 13, on modifie également la consigne d'orientation selon les axes X et Y. Ainsi, on adapte la configuration spatiale de l'outil de coupe 3 à l'angle d'hélice b souhaité au point considéré de la surface de la dent 4, à l'instant considéré.
De manière analogue, selon une caractéristique préférentielle qui peut constituer une invention à part entière, le pilotage de l'angle de pression a de la dent 4 en cours de taillage est affecté au second axe de rotation en roulis B.
En ajustant et en modifiant en temps réel la composante de pilotage spatiale du second axe de rotation en roulis B, c'est-à-dire la consigne d'orientation en basculement de la tête porte-outil 17, on modifie également la consigne d'orientation selon le premier axe de rotation en lacet C et donc on modifie également la consigne selon les trois axes de translation X, Y, Z. Ainsi, on adapte la configuration spatiale de l'outil de coupe 3 à l'angle de pression a souhaité au point considéré de la surface de la dent 4, à l'instant considéré.
De façon particulièrement préférentielle, on gère à la fois l'angle d'hélice b au moyen du premier axe de rotation en lacet C, Z13 et, distinctement, l'angle de pression a au moyen du second axe de rotation en roulis B.
De préférence, le procédé comporte une étape de programmation au cours de laquelle on génère, au moyen d'un calculateur, et d'un logiciel de Fabrication Assistée par Ordinateur (FAO), un fichier de pilotage de la machine-outil 11 qui comprend : les coordonnées (x, y, z) d'un point visé de la surface à usiner selon chacun des premier, second et troisième axe de translation X, Y, Z, la consigne de pilotage de la crémaillère 2, ici plus particulièrement la consigne d'orientation du plateau tournant 13, en lacet selon le premier axe de rotation C, en fonction de l'angle d'hélice b voulu pour la surface à tailler, et la consigne de pilotage en roulis selon le second axe de rotation B, en fonction de l'angle de pression a voulu pour la surface à tailler.
Dans un autre mode de réalisation, le fichier de pilotage de la machine- outil 11 comprend également les coordonnées (Nx, Ny, Nz) du vecteur normal à la surface à usiner au point considéré.
Ainsi, on pourra automatiser facilement, au moyen d'un fichier de pilotage ayant une structure simple et relativement peu encombrante, la production de la crémaillère 2, ainsi que les changements éventuels de gamme de fabrication (en recompilant simplement, à chaque changement de gamme, un nouveau fichier de pilotage à partir des nouvelles données de CAO correspondantes). Par ailleurs, l'invention concernera en tant que telle l'utilisation d'une machine-outil 11 à cinq axes X, Y, Z, B, C continus pourvue d'un outil coupant 3 rotatif autre qu'une fraise boule pour usiner une denture 1 à pas PI variable sur une crémaillère 2, et plus particulièrement sur une crémaillère 2 de direction.
L'invention concerne également un système de direction assistée pourvu d'une crémaillère 2 obtenue selon le procédé de l'invention, ainsi qu'un véhicule équipé d'un tel système de direction assistée.
Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux seules variantes de réalisation décrites dans ce qui précède, l'homme du métier étant notamment à même d'isoler ou de combiner librement entre elles l'une ou l'autre des caractéristiques susmentionnées, ou de leur substituer un équivalent.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé d'usinage d'une denture (1) à pas (PI) variable sur une crémaillère (2), ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il est mis en œuvre par une machine-outil qui est pourvue d'un outil coupant (3) rotatif autre qu'une fraise-boule et qui comprend au moins cinq axes (X, Y, Z, B, C) permettant de positionner ledit outil coupant (3) par rapport à la crémaillère (2), à savoir un premier axe de translation (Z), un second axe de translation (Y) et un troisième axe de translation (X), formant un trièdre direct, un premier axe de rotation (C) permettant de modifier une position en lacet, autour d'un axe de lacet (Z13) parallèle au premier axe de translation (Z), et un second axe de rotation (B) permettant d'orienter une position en roulis autour du second axe de translation (Y), et en ce que ledit procédé comprend au moins une phase de coupe au cours de laquelle on pilote l'outil coupant (3) en « cinq axes continus », en modifiant simultanément, au cours d'une même itération, la composante de pilotage spatiale de chacun desdits cinq axes (X, Y, Z, B, C), tandis que l'outil coupant (3) tourne et est appliqué au contact de la surface de la dent (4) qui est en cours de taillage.
2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le premier axe de rotation (C) permet de modifier la position en lacet de l'outil coupant (3) par rapport à la crémaillère (2) et le second axe de rotation (B) permet d'orienter la position en roulis de la crémaillère.
3. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le premier axe de rotation (C) permet de modifier la position en lacet de la crémaillère (2) par rapport à l'outil coupant (3) et le second axe de rotation (B) permet d'orienter la position en roulis de l'outil coupant.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 3 caractérisé en ce que la dent (4) en cours de taillage présente un angle d'hélice (b), et en ce que le pilotage de l'angle d'hélice (b) de la dent en cours de taillage est affecté au premier axe de rotation en lacet (C).
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 3 à 4 caractérisé en ce que le pilotage de l'angle de pression (a) de la dent (4) en cours de taillage est affecté au second axe de rotation en roulis (B).
6. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte une étape de programmation au cours de laquelle on génère, au moyen d'un calculateur et d'un logiciel un fichier de pilotage de la machine-outil qui comprend : les coordonnées (x, y, z) d'un point visé de la surface à usiner selon chacun des premier, second et troisième axe de translation (X, Y, Z), la consigne de pilotage de la crémaillère (2) en lacet selon le premier axe de rotation (C), en fonction de l'angle d'hélice (b) voulu pour la surface à tailler, et la consigne de pilotage en roulis selon le second axe de rotation, en fonction de l'angle de pression (a) voulu pour la surface à tailler.
7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel le fichier de pilotage de la machine-outil (11) comprend également les coordonnées (Nx, Ny, Nz) du vecteur normal à la surface à usiner au point considéré.
8. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que l'outil coupant (3) est formé par une fraise-disque.
9. Système de direction assistée pourvu d'une crémaillère (2) possédant une denture (1) à pas (PI) variable usinée selon un procédé conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 7.
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