A contrario des autres technologies d’usinage, le perçage profond n’a guère profité de l’évolution des machines et des outils. Le constat est d’autant plus étonnant que de nombreux secteurs font appel à cette technique. La tendance semble s’inverser avec la concrétisation de plusieurs études majeures comme cet article en est le témoignage.

Fig. 1 - Les essais de perçage avec la tête vibratoire développée à partir du projet Foropt lancé à l’origine par le Cetim ont été menés à bien sur un centre d’usinage Hermle C800V illustré sur cette vue prise sur place.

Procédé très répandu dans l’industrie, le perçage profond fait l’objet de plusieurs projets qui cherchent à parfaire ses performances. C’est le cas, par exemple, de Foropt, un projet chapeauté pendant quatre ans par le CETIM, et du procédé original de perçage vibratoire à basse fréquence mis au point par les laboratoires 3S et le LTDS. Le perçage profond, on doit le reconnaître, a des progrès à faire! Si les machines et les outils de coupe ont beaucoup évolué ces dernières années, cette opération d’usinage a été peu concernée par ces envolées technologiques. Elle est, pourtant, utilisée dans de nombreux domaines industriels comme la fabrication d’automobiles, l’armement, la mécanique générale, l’aéronautique et bien d’autres.

Lancement d’un projet ambitieux
Alors, pour répondre au besoin des industriels, le Cetim a lancé en 2002 le projet Foropt. Son objectif est de valider et de développer des technologies adaptées au perçage profond à grande vitesse sur centre d’usinage ou sur foreuse. Des travaux ont ainsi été effectués pendant trois ans en collaboration avec plusieurs partenaires industriels ou laboratoires de recherches universitaires dont on peut citer Aramm, Aratem, Ascometal, Atamec-BSMA, Ateliers Siccardi, CTDec, Fuchs w-industrie, Insa (Lyon), LTDS (ENISE), L3S (INP de Grenoble), Montupet, Outiltec, PCI, SFH, Thermi-platin, Ugitech Arcelor. Le projet s’est déroulé en deux étapes. La première partie a permis de faire le point sur l’état de l’art de cette technologie, la seconde a été consacrée à l’amélioration des solutions qu’utilisent habituellement les industriels. Des essais et des validations ont ensuite été effectués, à l’aide de démonstrateurs, sur des pièces en acier comme des vilebrequins, en inox dont du matériel médical et en aluminium telles des culasses d’automobile, ceci avec différents outils et stratégies d’usinage. Et les résultats ont été au rendez-vous ! Il a été constaté un gain de productivité de l’ordre de quarante pour cent et une amélioration de la durée de vie d’outil de trois cents pour cent. Mais, il reste toutefois encore beaucoup de pain sur la planche… En effet, il faut maintenant assurer une véritable rupture technologique pour être en mesure de démocratiser avec succès le perçage profond à grande vitesse.

Perçage vibratoire à basse fréquence
Le projet Foropt pourrait donc continuer avec la validation industrielle du procédé de perçage vibratoire à basse fréquence financé par le Cetim et mis au point par les laboratoires 3S et le LTDS de l’Enise (Laboratoire de tribologie et dynamique des systèmes de l’École nationale d’ingénieurs de Saint-Étienne). De quoi s’agit-il? Bien que très simple au niveau des trajectoires par rapport au fraisage ou au tournage, le perçage, et notamment celui de trous profonds ayant un rapport longueur/diamètre supérieur à 5, soulève un problème de taille, leur temps d’exécution. Le perçage est ainsi une opération longue, donc coûteuse. Principale responsable de ce handicap, la mauvaise évacuation du copeau. La plupart du temps, ce copeau ne se fragmente pas et reste au fond du trou, créant ainsi un phénomène de bourrage. Ce phénomène entraîne une surpression locale et un échauffement important du foret pouvant conduire à sa rupture. Une amélioration du temps de cycle de perçage ne peut donc se faire sans une bonne maîtrise de l’évacuation du copeau.

Un projet coopératif
Technologie d’usinage omniprésente dans l’industrie, le perçage, notamment profond, a été jusqu’ici le parent pauvre du développement technologique. Pour pallier cet oubli, un projet multipartenaires a été lancé par le Cetim avec le soutien financier de la région Rhône-Alpes. Déroulé de 2002 à 2006, ce projet sous la responsabilité de Bruno Davier a été nommé Foropt (optimisation du procédé de forage profond). Il a été doté d’un budget total de 475 000 euros. Les travaux, qui se poursuivent depuis début 2007, ont visé à améliorer des techniques de perçage qu’utilisent les entreprises.

Des années d’études ont conduit au concept d’une tête de perçage spécifique
Il existe déjà un certain nombre de solutions permettant l’évacuation des copeaux, comme les stratégies d’usinage particulières, dont principalement le débourrage, ou celles utilisant des outils et une lubrification adaptée comme les forets à trou d’huile permettant une lubrification centrale sous haute pression directement à la pointe de l’outil. Plus récemment sont apparues des techniques mettant en œuvre des vibrations axiales du foret. De son côté, le laboratoire 3S conduit, depuis quelques années, une étude sur la technologie de perçage vibratoire sans apport d’énergie extérieur. Ce travail a permis de développer une tête de perçage vibratoire ayant des caractéristiques dynamiques parfaitement compatibles avec l’apparition de vibrations axiales auto-entretenues. Le principe à la base très simple consiste à utiliser uniquement l’énergie apportée par la coupe pour générer et maintenir ces vibrations.

Fig. 2 - Vue générale de la tête de perçage vibratoire à basse fréquence dont les vibrations sont générées par un système exclusif. Cette tête offre l’avantage de pouvoir s’intégrer dans le magasin d’outils de n’importe quel centre d’usinage classique.

Conception du porte-outil
Le porte-outil (fig. 2) mis au point par les chercheurs comporte un corps principal qui réalise l’attachement entre le porte-outil et la broche de la machine. Une partie mobile supporte un système d’attachement de l’outil pouvant coulisser dans le corps principal, le guidage étant assuré par une douille à bille. Un ressort positionné entre le corps principal et la partie mobile du porte-outil accumule l’énergie fournie par la coupe et la restitue sous forme de vibrations axiales. Un simulateur sous Matlab permet de déterminer les réglages de la tête et les conditions de coupe nécessaires pour la génération des vibrations. Il fournit, de plus, des informations diverses sur le fonctionnement du système, comme l’amplitude des vibrations de l’outil, l’épaisseur de copeau, la fréquence des vibrations ou les efforts dans les différentes zones de l’outil. Il permet également de déterminer les efforts créés par les différentes parties de l’outil. Les essais ont été menés sur un centre d’usinage Hermle C800V instrumenté comme illustré sur la figure1, en tête de l’article.

Campagne expérimentale
La théorie c’est bien mais la pratique c’est encore mieux! Une campagne expérimentale a ainsi été menée au laboratoire LTDS de l’Enise sur un centre d’usinage Hermle instrumenté. Le bloc à usiner est monté sur un dynamomètre Kistler de manière à suivre l’évolution des efforts de coupe tout au long de l’usinage. De plus, un capteur de déplacement sans contact permet de mesurer les vibrations axiales du foret. Les essais ont été réalisés dans un acier à vilebrequin 35MnV7 d’une dureté de 280 Brinell avec des forets de différents diamètres et de différentes géométries. Les vibrations de l’outil sont bien régulières, montrant que l’évacuation du copeau se déroule correctement pendant toute l’opération. Résultat, le perçage vibratoire permet de réaliser des trous de grande profondeur, supérieure à quinze fois le diamètre, ceci sans lubrification ni cycle de débourrage et sans entraîner la destruction rapide de l’outil.

Pourquoi de tels résultats
La durée de vie de ce dernier dans de telles conditions est inférieure à la durée de vie en utilisation classique mais le perçage vibratoire se fait à sec et sans opération de débourrage. Le gain de productivité est non négligeable et voici les secrets de cette performance. Le perçage vibratoire permet d’obtenir une très bonne fragmentation due à la coupe discontinue engendrée par ces sauts d’arête hors matière. Bien plus, le fait que l’outil soit hors de la matière plus de cinquante pour cent du temps fait que son échauffement est nettement moins important qu’en perçage traditionnel. Ces deux avantages (fragmentation et échauffement moindres) font qu’il est possible de réaliser des perçages sans lubrification et sans débourrage sur de grandes longueurs. Mais ce n’est pas tout ! L’utilisation de cette nouvelle technique permet, en effet, de réaliser des trous profonds sur un centre d’usinage classique. De plus, l’élimination totale de la lubrification et du cycle de débourrage, tout en conservant des vitesses de perçage importantes, dope la productivité.

Perçage à dix-neuf fois le diamètre !
La configuration d’usinage a fait l’objet d’un premier essai d’usure avec un foret en carbure monobloc de 5 mm de diamètre sur des trous d’une profondeur de 95 mm, soit dix-neuf fois le diamètre, à sec et sans cycle de débourrage. La durée de vie obtenue est de 25 mètres, soit environ deux cent soixante trous. Or, dans de telles conditions et sans cette technologie, l’outil ne résisterait pas à l’usinage d’un seul trou. Une étude plus fine et l’optimisation des différents paramètres de la tête et de la géométrie de l’outil devraient permettre de repousser encore cette limite.

Études préparatoires nécessaires
Il convient, toutefois d’attirer l’attention sur le fait que l’utilisation de cette technologie à une application donnée demande des études préparatoires. La première étape est la prédiction d’une zone de vibration. Ensuite, il faut affiner la zone de vibration par cette simulation numérique. L’approche permet de connaître de manière précise les paramètres de réglages et les conditions de coupe pour obtenir une vibration optimale garante de la bonne fragmentation du copeau. Enfin, la validation expérimentale des résultats donnés par le simulateur clos le cycle des études préparatoires. Ces outils d’analyse, disponibles au laboratoire 3S, ont permis d’aboutir à de bons résultats de perçage vibratoire dans l’acier à vilebrequin. Le développement de nouveaux outils de coupe limitant l’importance de l’âme du foret et réduisant les frottements devrait permettre d’accroître encore plus la productivité des opérations de perçage vibratoire.

La technique de perçage vibratoire auto-entretenue a des beaux jours devant elle. Cette approche permet, en effet, de percer des trous de grande profondeur jusqu’à vingt fois le diamètre sans aucune lubrification, ni cycle de débourrage avec des conditions de coupe proches de celles préconisées par le fabricant de l’outil relatives à la vitesse de coupe et à la durée de vie. On est là face à un développement à suivre très sérieusement.

On est là en face d’une technologie vraiment innovante
Le problème est la productivité des opérations de perçage limitée par la mauvaise évacuation du copeau, surtout lorsque le trou à usiner devient profond avec un rapport longueur/diamètre supérieur à 5. La raison simple est la mauvaise évacuation des copeaux qui provoque, aussi, une qualité d’usinage médiocre et peut conduire au bris de l’outil.

Précisions supplémentaires sur la technologie
La solution, développée par le laboratoire 3S et celui LTDS est la technique de perçage vibratoire à basse fréquence qui résout le problème. Animé d’un mouvement de vibrations axiales dont l’amplitude est supérieure à l’avance, le foret effectue des sauts hors matière qui assurent une fragmentation idéale du copeau. L’opération est assurée par une tête de perçage originale pouvant s’installer aisément sur une machine classique. La clé de la solution est la basse fréquence dont les vibrations sont générées par un système spécifique pouvant être intégré dans le magasin d’outils d’un centre d’usinage classique.

Autres détails sur la tête de perçage
La tête de perçage elle-même est composée d’une masse mobile guidée en translation et montée sur un ressort spécifique. Les efforts générés par la coupe engendrent une instabilité qui va être auto-entretenue. La conséquence est alors un mouvement de vibrations de l’outil à basse fréquence se situant entre 1,5 et 5 vibrations par tour d’outil, et de faible amplitude, de l’ordre de grandeur de l’avance. L’évacuation du copeau peut alors se faire de façon naturelle sans débourrage ni lubrification, ce qui permet de percer des trous de grande profondeur. Le broutage qui est généré naturellement au cours de la coupe est amplifié par la faible raideur axiale de la tête. Le foret est donc animé d’un mouvement de vibrations qui se traduit par une surface usinée présentant une forme de vague.

On doit souligner que cet article est le résultat d’une synthèse des déclarations et des renseignements techniques fournis par Stéphane Guérin, spécialiste de l’usinage à grande vitesse au Cetim, de Bruno Davier, expert au Cetim et responsable du projet Foropt, ainsi que de Nicolas Guibert, doctorant au laboratoire 3S de Grenoble, l’équipe de conception intégrée à ce laboratoire 3S ayant été intégrée, depuis janvier 2007, au nouveau laboratoire G-Scop.