Un process d’usinage de perçage profond innovant

Des techniques de perçage peu satisfaisantes

Les trous de petits diamètres et de grande profondeur sont classiquement réalisés avec des forets hélicoïdaux ou des forets 3/4 nécessitant l'utilisation d'une lubrification centralisée à très haute pression (> 80 bars) non respectueuse de l'environnement. La productivité des techniques actuelles reste médiocre et les limites techniques semblent maintenant atteintes. Le laboratoire G-SCOP propose des études sur une technique innovante de perçage vibratoire permettant un usinage de trous profonds à sec avec des gains de productivité tout en gardant la même qualité.

Utilisation des vibrations pour la fragmentation du copeau

Les travaux antérieurs menés à l'Université de Grenoble ont mis en évidence l'intérêt d'utiliser les vibrations axiales auto-entretenues générées par l'instabilité du système usinant (pièce, outil, machine). Un premier prototype breveté a montré la faisabilité. Cette nouvelle technique de perçage est basée sur le développement d'un porte-outil spécifique permettant de maîtriser des vibrations axiales à basse fréquence du foret, compatibles avec le fractionnement du copeau. Ce porte-outil (ne nécessitant aucun apport d'énergie extérieur) a des dimensions proches d'un porte-outil standard et est compatible avec la plupart des changeurs d'outils. L'énergie nécessaire pour animer le foret axialement est issue de la coupe. Les conditions de coupe sont donc choisies de manière à créer un processus de coupe discontinue alors que le mouvement d'avance reste constant. Il est important de préciser qu'il ne s'agit en aucune manière de percussion. Le foret ne percute jamais la matière. Il pénètre puis ressort progressivement de la matière ce qui autorise l'utilisation de forets en carbure monobloc de grande longueur.

Une technique également performante et durable

Les études réalisées montrent que la technique de perçage vibratoire est capable de concurrencer très largement la technique de perçage au foret ?. Il apparaît que cette technique permet de percer des trous de 5 mm sur 100 mm en moins de 8 s à sec et sans débourrage dans une pièce en acier (dureté 270 HB). La rectitude des trous est de l'ordre de 0,1 mm et la rugosité est de l'ordre de R ~ 2 µm. Le diamètre des trous reste dans une tolérance de +/- 0,01 mm. La durée de vie des forets est garantie sur au moins 25-30 mètres cumulés, en perçage complètement à sec. Comparativement, un foret ? ne peut parvenir à ce résultat en moins de 24 s et ne peut en aucun cas se passer de la lubrification à très haute pression. De plus, dans ces conditions, un foret ? perce difficilement plus de 15 mètres cumulés.

Cette technique est utilisable sur tout centre d'usinage puisque la technologie est dans le porte-outil qui peut recevoir tout type d'attachement (SA40, HSK63, etc.). Enfin, la modulation de la raideur du ressort et de la masse embarquée, permet d'adapter cette technologie à tout type de broche (de 5000 tr/min à 24000 tr/min) et à un grand nombre d'applications.

Enfin, cette nouvelle technologie innovante a été testée sur différents matériaux comme les alliages d'aluminium corroyés et moulés, les aciers, les aciers inoxydables, les fontes, le titane,... . Les résultats obtenus sont très intéressants et montrent que le domaine de fractionnement du copeau est plus vaste lorsque les caractéristiques mécaniques du matériau sont élevées.

Ces travaux s'inscrivent aujourd'hui au sein du projet F.G.V.V porté par les pôles de compétitivité (ViaMeca et Arves industries), les laboratoires (G-SCOP - Université de Grenoble, LTDS - ENISE, LAMI - IFMA), les centres techniques (CETIM, CTDEC) et des partenaires industriels.

Ce process d'usinage est visionnable sur le site du cluster GOSPI

Contacts: Henri Paris, Laboratoire G-scop

Publications

• Guibert Nicolas «Etude et modélisation des phénomènes de coupe en forage vibratoire».thèse de doctorat de l'Université de Grenoble soutenue le 16 september 2008

• Guibert Nicolas, Henri Paris, Rech Joël, Claudin Christophe, Identification of thrust force models for vibratory drilling, International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2009

• Paris Henri, Brissaud Daniel, Gouskov Alexandre, Guibert Nicolas, Rech Joël, Influence of the ploughing effect on the dynamic behaviour of the self vibratory drilling head, Annals of the CIRP, Vol. 57, 2008