Machpro 847 15/03/07

Les bonnes vibrations du perçage profond

Percer ou Forer des trous très profonds à très grande vitesse, à sec et sans débourrage est maintenant une réalité. C’est ce qu’explique MM. Henri Paris et Joël Rech, respectivement Directeur de l’UFR de mécanique de Grenoble et responsable de recherche à l’Ecole d’Ingénieurs, de Saint-Etienne. Leurs équipes ont collaboré avec des fabricants d’outils pour étudier le meilleur moyen d’y parvenir.

Il est bien connu que le problème principal de la réalisation de trous très profonds réside dans la difficulté à former des copeaux très courts faciles à remonter en surface. La principale méthode utilisée est la technique de forage avec foret ¾. Cette technique utilise des machines spécifiques et peu flexibles. Elles nécessitent l’utilisation d’une lubrification centralisée à très haute pression (80 bars) avec de l’huile entière, qui pose de graves problèmes environnementaux. De plus, la productivité de cette technique est médiocre, du fait de la présence d’une unique arête de coupe et de la nécessité de choisir des conditions compatibles avec le fractionnement du copeau. Enfin ces opérations sont très instables et très difficiles à mettre au point. La moindre variation des conditions de production (baisse de pression d’arrosage, variation de dureté de la matière, etc.) conduit à des casses intempestives et des arrêts de production.

Utiliser les vibrations pour fragmenter le copeau
Le laboratoire G-SCOP (Sciences pour la Conception et l’Optimisation pour la Production) de l’UFR (C.813) de mécanique de Grenoble et le LTDS (Laboratoire de Tribologie & Dynamique des Systèmes) de l’ENISE (C.814) – St Etienne travaillent actuellement sur la mise au point d’une nouvelle technologie dite de « perçage vibratoire ». L’objectif est de réaliser des trous de très grandes profondeurs (rapport longueur/ diamètre > 20) sans lubrification, sans aucun débourrage. Dans un souci de productivité, le temps de coupe a été divisé par trois par rapport à une technique de forage au foret ¾.
Cette nouvelle technique de perçage est basée sur le développement d’un porte-outil spécifique (voir Figure de tête) permettant de maîtriser des vibrations axiales à basse fréquence du foret, compatibles avec le fractionnement du copeau. Ce porte-outil ne nécessite aucun apport d’énergie extérieur. Il 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. 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, pourtant réputés très fragiles.
Une des limitations de cette technique réside dans les phénomènes d’amortissement. Cet amortissement trouve son origine dans les frottements entre le foret et l’alésage, ainsi que dans la géométrie du foret. Il est donc capital d’utiliser des forets avec des affutages permettant de limiter cet amortissement. Les outils standards disponibles dans le commerce ne disposent pas tous d’une telle géométrie. Un développement conjoint pour identifier la géométrie optimale des forets a donc été initié en collaboration avec Outiltec (C.815) et Tivoly (C.816).

Applications immédiate dans l’automobile
Actuellement un développement avancé dans le domaine du forage des trous de lubrification des vilebrequins est mené. Les vilebrequins, réalisées en acier forgé et traité 35MV7, possèdent une série de trous de diamètre environ 5 mm et de longueur pouvant aller jusqu’à 100 mm.
Les études réalisées montrent que la technique de perçage vibratoire est capable de concurrencer très largement la technique de perçage au foret ¾. 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. La rectitude des trous est de l’ordre de 0,1 mm, alors que 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 mètres cumulés, même en perçage complètement à sec sans utilisation d’air comprimé. Comparativement, un foret ¾ 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 ¾ perce difficilement plus de 15 mètres cumulés.
Les diagrammes accompagnant cet article illustrent l’évolution de l’effort de poussée durant une opération de perçage vibratoire dans un vilebrequin. L’interruption de la coupe est clairement apparente lorsque l’effort de poussée passe par zéro. Les copeaux obtenus sont de petites tailles et bien fragmentés. Du fait de la grande vitesse de rotation et de l’hélice des forets, les copeaux de petites tailles ne restent pas dans les goujures, ils remontent sans peine et sont expulsés à très grande vitesse à l’extérieur du trou. L’évacuation naturelle est même suffisante pour réaliser des perçages de 100 mm de profondeur avec un foret de 5 mm de diamètre sur un centre d’usinage à broche verticale.
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 tout type d’applications.