FR2956338A1

FR2956338A1 - TOOL HOLDER WITH ADJUSTABLE SLIDING TORQUE

Info

Publication number: FR2956338A1
Application number: FR1051060A
Authority: FR
Inventors: Michel Serris
Original assignee: Airbus Operations SAS
Current assignee: Airbus Operations SAS
Priority date: 2010-02-15
Filing date: 2010-02-15
Publication date: 2011-08-19
Anticipated expiration: 2030-02-15
Also published as: WO2011098738A1; FR2956338B1

Abstract

L'invention concerne un dispositif porte outil pour le maintien en position et l'entraînement d'un outil coupant sur une machine outil. Ledit porte outil est utilisé comme dispositif de surveillance d'usinage fiable, apte à préserver la pièce, la machine et le porte outil en cas d'aléa et peut être mis en œuvre sur n'importe quelle machine quelque soit l'outil et quelque soit la puissance de ladite machine. A cette fin le porte outil de l'invention comprend - Un accouplement (20) à couple de glissement réglable entre l'attachement de broche (11) et l'attachement d'outil (12) - Des moyens (5) de détection pour détecter un glissement relatif entre l'attachement de broche (11) et l'attachement d'outil (12) Ainsi l'effort de coupe, qui se traduit par le couple d'entraînement de l'outil ne peut dépasser une valeur prédéterminée par le couple de glissement réglable. La possibilité de détection de ce glissement permet de déclencher des actions appropriées.The invention relates to a tool holder for holding in position and driving a cutting tool on a machine tool. Said tool holder is used as a reliable machining monitoring device, able to preserve the workpiece, the machine and the tool holder in the event of a hazard and can be implemented on any machine whatever the tool and whatever the power of said machine. For this purpose the tool holder of the invention comprises - a coupling (20) with adjustable sliding torque between the spindle attachment (11) and the tool attachment (12) - means (5) for detecting detecting a relative slip between the spindle attachment (11) and the tool attachment (12) Thus the cutting force, which results in the drive torque of the tool can not exceed a value predetermined by adjustable sliding torque. The possibility of detecting this slip makes it possible to trigger appropriate actions.

Description

L'invention concerne un dispositif porte outil pour le maintien en position et l'entraînement d'un outil coupant sur une machine outil. De tels dispositifs sont utilisés pour fixer un outil dans la broche d'une machine et comprennent d'un côté un attachement standard, généralement mâle, apte à être introduit et maintenu en liaison complète avec ladite broche et de l'autre un attachement, généralement femelle, apte à recevoir le manche d'un outil de coupe. De tels dispositifs sont utilisés plus particulièrement sur des centres d'usinage à commande numérique équipés d'un dispositif de changement automatique d'outil. The invention relates to a tool holder for holding in position and driving a cutting tool on a machine tool. Such devices are used to fix a tool in the spindle of a machine and comprise on one side a standard attachment, generally male, able to be introduced and maintained in complete connection with said pin and on the other an attachment, generally female, adapted to receive the handle of a cutting tool. Such devices are used more particularly on numerically controlled machining centers equipped with an automatic tool changer.

Au cours d'une opération d'usinage, particulièrement dans les matériaux difficiles à usiner tels que les alliages à base de titane ou de nickel destinés à des applications à haute température, malgré les soins apportés à la détermination des conditions de coupe et de la durée de vie des outils, il peut arriver que l'outil casse en cours d'usinage, par exemple suite à une usure accélérée. Ce type d'aléa peut conduire à la perte d'une pièce à forte valeur ajoutée voir à la destruction de l'outil et du porte outil et dans des cas extrêmes à la destruction de la broche de la machine. Sans aller jusqu'à cette extrémité, les efforts générés par un outil fortement usé sont de nature à réduire considérablement la durée de vie des roulements de broches entraînant ainsi des coûts de maintenance et des durées d'immobilisation de la machine accrue. Pour juguler l'effet de ces aléas, un opérateur surveille constamment l'opération d'usinage. Lorsque ladite opération peut durer plusieurs heures, cette surveillance mobilise un opérateur, qui ne peut surveiller qu'une seule machine à la fois, ceci afin de conserver la capacité à agir très rapidement en cas de bris d'outil ou d'augmentation importante des efforts de coupe. Cette surveillance a un effet directe sur le coût horaire de l'usinage en question et donc sur le coût de la pièce alors que ledit opérateur n'apporte aucune valeur ajoutée. During a machining operation, particularly in hard-to-machine materials such as titanium or nickel-based alloys for high temperature applications, despite the care taken in determining cutting conditions and tool life, it may happen that the tool breaks during machining, for example due to accelerated wear. This type of hazard can lead to the loss of a high value-added part, to the destruction of the tool and tool carrier and in extreme cases to the destruction of the spindle of the machine. Without going to this end, the forces generated by a heavily used tool are likely to significantly reduce the life of the spindle bearings resulting in increased maintenance costs and downtime of the machine. To control the effect of these hazards, an operator constantly monitors the machining operation. When said operation can last several hours, this monitoring mobilizes an operator, who can monitor only one machine at a time, in order to maintain the ability to act very quickly in case of tool breakage or significant increase in cutting efforts. This monitoring has a direct effect on the hourly cost of the machining in question and therefore on the cost of the part while said operator provides no added value.

Il existe donc un besoin pour un système de surveillance automatisé de l'usinage. De tels dispositifs, basés par exemple sur la mesure des courants de broche et/ou des moteurs d'entraînement des axes de déplacement de la machine ont ainsi été développés. Toutefois la fiabilité de ces systèmes est en général insuffisante, particulièrement lorsque la machine est puissante et que l'usinage, réalisé par exemple avec une fraise de faible diamètre, n'engendre qu'une puissance de coupe très inférieure à la puissance nominale de la machine. Par ailleurs un tel système doit être étalonné pour chaque machine avec chaque outil utilisé et chaque condition de coupe d'usage de cet outil. Ces contraintes et le manque de fiabilité des dispositifs de l'art antérieur font que ceux-ci sont très vite délaissés par les opérateurs. There is therefore a need for an automated machining monitoring system. Such devices, based for example on the measurement of the pin currents and / or the drive motors of the axes of movement of the machine have thus been developed. However, the reliability of these systems is generally insufficient, particularly when the machine is powerful and that machining, for example with a small diameter mill, generates a cutting power much lower than the nominal power of the machine. machine. Moreover, such a system must be calibrated for each machine with each tool used and each cutting condition of use of this tool. These constraints and the lack of reliability of the devices of the prior art mean that they are very quickly abandoned by the operators.

Il existe donc un besoin pour un dispositif de surveillance d'usinage fiable, apte à préserver la pièce, la machine et le porte outil en cas d'aléa qui puisse être mis en oeuvre sur n'importe quelle machine quelque soit l'outil et quelque soit la puissance de ladite machine. A cette fin l'invention propose un porte outil de coupe comprenant : - Un attachement de broche apte à fixer ledit porte outil dans la broche d'une machine - Un attachement d'outil apte à recevoir le manche d'un outil de coupe - Un accouplement à couple de glissement réglable entre l'attachement de broche et l'attachement d'outil - Des moyens de détection pour détecter un glissement relatif entre l'attachement de broche et l'attachement d'outil Ainsi l'effort de coupe, qui se traduit par le couple d'entraînement de l'outil, ne peut dépasser une valeur prédéterminée par le couple de glissement réglable. La possibilité de détection de ce glissement permet de déclencher des actions appropriées. La limitation de l'effort de coupe est attachée à l'outil et ne passe plus par la chaîne cinématique de la machine. Avantageusement, ce porte outil comprend des moyens aptes à transmettre un signal lorsque les moyens de détection détectent un glissement prédéfini entre les deux attachements. Ledit signal peut être capté et traité par une machine à commande numérique ou par un dispositif de supervision de la machine et permettre ainsi de déclencher des actions spécifiques de sorte à sauvegarder la pièce, la machine ou l'outil. Avantageusement ces moyens de transmission sont des moyens radio ce qui simplifie la connexion du porte outil aux moyens de supervision et permet d'utiliser ce porte outil sur des machines à changement d'outil automatisé sans modifier le dispositif de changement automatique d'outil. There is therefore a need for a reliable machining monitoring device, able to preserve the workpiece, the machine and the tool holder in the event of a hazard that can be implemented on any machine whatever the tool and whatever the power of said machine. To this end, the invention proposes a cutting tool holder comprising: - a spindle attachment adapted to fix said tool holder in the spindle of a machine - a tool attachment adapted to receive the handle of a cutting tool - An adjustable slip torque coupling between the spindle attachment and the tool attachment - sensing means for detecting a relative slip between the spindle attachment and the tool attachment Thus the cutting force, which results in the drive torque of the tool, can not exceed a predetermined value by the adjustable slip torque. The possibility of detecting this slip makes it possible to trigger appropriate actions. The limitation of the cutting force is attached to the tool and no longer passes through the kinematic chain of the machine. Advantageously, this tool holder comprises means capable of transmitting a signal when the detection means detect a predefined slip between the two attachments. Said signal can be picked up and processed by a numerically controlled machine or by a supervisory device of the machine and thus allow to trigger specific actions so as to save the workpiece, the machine or the tool. Advantageously, these transmission means are radio means which simplifies the connection of the tool holder to the supervisory means and makes it possible to use this tool holder on automated tool change machines without modifying the automatic tool change device.

Un tel porte outil est particulièrement adapté à une utilisation sur une machine outil à commande numérique équipée de moyens de réception du signal relatif au glissement de l'accouplement. L'invention concerne également un procédé pour le pilotage d'une telle machine à commande numérique comprenant les étapes consistant à : - réaliser un usinage en conférant à l'outil un mouvement de coupe et un mouvement d'avance tout en scrutant l'état du signal - interrompre l'usinage lorsque le signal est détecté Ce procédé de pilotage permet d'éviter toute dégradation de la machine en cas d'une surcharge sur l'outil consécutive à un aléa. Such a tool holder is particularly suitable for use on a numerically controlled machine tool equipped with means for receiving the signal relating to the sliding of the coupling. The invention also relates to a method for controlling such a numerically controlled machine comprising the steps of: - performing a machining by giving the tool a cutting movement and a movement in advance while scrutinizing the state of the signal - interrupt the machining when the signal is detected This control method makes it possible to avoid any degradation of the machine in the event of an overload on the tool following a hazard.

Selon un mode de réalisation avantageux permettant de limiter les dégradations de l'outil l'arrêt de l'usinage est réalisé en stoppant le mouvement d'avance et en conservant le mouvement de coupe. L'arrêt du mouvement d'avance réduit progressivement à 0 la section de matière coupée par l'outil et ainsi la charge appliquée à celui-ci. Cette stratégie d'arrêt évite ainsi toute sollicitation brutale de l'outil pouvant conduire à sa rupture. Elle est particulièrement utile lorsque les arêtes tranchantes de l'outil sont constituées d'un matériau fragile tel qu'un carbure fritté ou une céramique. En effet de tels matériaux durs sont susceptibles de se rompre sous l'effet d'une sollicitation brutale et de laisser des fragments dans la pièce dont la reprise de l'usinage est alors très délicate. Pour d'autres natures d'outil ou selon les types d'usinage il peut être avantageux de stopper conjointement le mouvement de coupe et le mouvement d'avance. Cette configuration est utilisée chaque fois que la surcharge détectée sur l'outil est de nature à remettre en cause la sécurité des biens et des personnes. Alternativement les mouvements d'avance et de coupe peuvent être stoppés séquentiellement : d'abord le mouvement d'avance puis 10 immédiatement après le mouvement de coupe. Dans le cas où les deux mouvements sont stoppés simultanément, il est préférable que le programme d'usinage ne puisse repartir sans une réinitialisation ou déconsignation de la machine. Dans le cas où le mouvement d'avance est d'abord stoppé, il est 15 avantageux de prévoir la possibilité de redémarrage de l'usinage depuis son point d'arrêt une fois que l'opérateur a autorisé ce redémarrage sans passer par une réinitialisation de la machine. L'invention sera maintenant plus précisément décrite dans le cadre de modes de réalisation préférés, nullement limitatifs, représentés sur la figure 1 20 laquelle représente schématiquement, en coupe, un exemple de réalisation du dispositif porte outil selon l'invention. L'homme du métier adaptera sans difficultés ces enseignements aux différents types de porte outil, pour différents manches d'outil et/ou différents type d'attachement de broche. Le porte outil (1) comprend un attachement (11) apte à être fixé de 25 manière temporaire et amovible dans la broche d'une machine outil. A titre d'exemple non limitatif il s'agit d'un attachement à portée conique de type ISO ou BT comprenant un cône (110) mâle pour un emmanchement dans un cône femelle de même conicité dans la broche de la machine. A cette fin cet attachement comprend une tirette (112), liée au cône (110) laquelle permet à partir de griffes positionnées dans la broche de la machine de mettre en contact intime les parties coniques mâle et femelle dans la broche. Il comprend à l'autre extrémité une collerette (111) laquelle sert au maintient du porte outil dans le magasin de la machine et qui comprend en outre une rainure (113) laquelle est utilisée pour indexer le porte outil en rotation lorsque celui-ci est monté dans la broche de la machine. La seconde partie (12) du porte-outil comprend un attachement d'outil, par exemple de type Weldon®, assurant un centrage de l'outil par rapport à l'axe de la broche ainsi que la transmission de la puissance de coupe à l'outil. According to an advantageous embodiment for limiting damage to the tool stopping the machining is achieved by stopping the movement in advance and maintaining the cutting movement. Stopping the advance movement gradually reduces to 0 the section of material cut by the tool and thus the load applied thereto. This stopping strategy avoids any sudden solicitation of the tool that can lead to its break. It is particularly useful when the cutting edges of the tool consist of a brittle material such as a sintered carbide or a ceramic. Indeed, such hard materials are likely to break under the effect of a sudden stress and leave fragments in the room whose recovery of machining is then very delicate. For other types of tool or the types of machining it may be advantageous to jointly stop the cutting movement and the advance movement. This configuration is used whenever the overload detected on the tool is likely to jeopardize the safety of property and people. Alternatively the advance and cutting movements can be stopped sequentially: first the advance movement and then immediately after the cutting movement. In the case where both movements are stopped simultaneously, it is preferable that the machining program can not restart without a reset or disconnection of the machine. In the case where the advance movement is first stopped, it is advantageous to provide the possibility of restarting machining from its stopping point once the operator has authorized this restart without going through a reset. of the machine. The invention will now be more specifically described in the context of preferred embodiments, in no way limiting, shown in Figure 1 which shows schematically, in section, an embodiment of the tool holder device according to the invention. Those skilled in the art will easily adapt these teachings to different types of tool holder, for different tool handles and / or different types of spindle attachment. The tool holder (1) comprises an attachment (11) adapted to be fixed temporarily and removably in the spindle of a machine tool. By way of nonlimiting example it is a conical bearing attachment type ISO or BT comprising a male cone (110) for fitting into a female cone of the same conicity in the spindle of the machine. To this end this attachment comprises a pull tab (112), connected to the cone (110) which allows from claws positioned in the spindle of the machine to put intimate contact the male and female conical parts in the spindle. It comprises at the other end a collar (111) which serves to hold the tool holder in the magazine of the machine and which further comprises a groove (113) which is used to index the tool holder in rotation when it is mounted in the spindle of the machine. The second portion (12) of the tool holder comprises a tool attachment, for example of the Weldon® type, ensuring a centering of the tool relative to the axis of the spindle as well as the transmission of the cutting power to the tool.

L'outil (3) est constitué d'un manche (31) qui, à une extrémité supporte la partie active (32) et à l'autre extrémité est fixé dans l'attachement d'outil. Les deux parties (11,12) du porte outil sont solidarisées par l'intermédiaire d'un accouplement (20) à couple de glissement défini. Celui-ci est par exemple constitué de disques de friction superposés. The tool (3) consists of a handle (31) which at one end supports the active part (32) and at the other end is fixed in the tool attachment. The two parts (11,12) of the tool carrier are secured by means of a coupling (20) defined slip torque. This is for example constituted of superimposed friction discs.

Par exemple, selon un mode de réalisation particulier, un premier disque de friction (21), côté attachement de broche est en liaison complète avec ledit attachement de broche. Un deuxième disque de friction (22) en liaison glissière avec l'attachement d'outil mais libre par rapport à l'attachement de broche, vient prendre appui sur ce premier disque (21). Un troisième disque de friction (23) en liaison glissière avec l'attachement de broche mais libre par rapport à l'attachement d'outil prend appui axialement sur le deuxième disque. Finalement un quatrième disque (24) en liaison glissière axiale avec l'attachement d'outil et libre par rapport à l'attachement de broche prend appui axialement sur le troisième disque (23). Les disques sont mis en compression axiale de sorte à créer une pression de contact entre les disques de friction, par un écrou (26) se vissant sur l'extrémité de l'empilement opposée au premier disque (21) sur l'attachement de broche, lequel écrou agit sur des moyens formant ressort (25) par exemple des rondelles belleville® . Le mouvement de coupe communiqué par la broche à l'attachement de broche est transmis à l'attachement d'outil par friction entre les disques ainsi empilés et serrés entre eux axialement. Ainsi la transmission de puissance entre l'attachement de broche (11) et l'attachement d'outil (12) se fait par des éléments solidarisés entre eux par le frottement entre les disques. La force de serrage appliquée sur l'écrou (26) détermine un couple maximum transmissible entre l'attachement de broche (11) et l'attachement d'outil (12). Au-delà de ce couple maximum un glissement se produit entre les disques. Du fait de ce glissement, il existe un décalage angulaire entre la rotation de l'attachement broche (11) et celle de l'attachement d'outil (12). Un capteur (5) détecte ce décalage angulaire. L'homme du métier choisira la nature de capteur à utiliser en fonction de la nature désirée du signal en sortie de capteur, de la vitesse de rotation maximale du porte outil et de la précision de détection requise. A titre d'exemple, le capteur peut-être de type codeur incrémentai, un capteur de proximité, mesurant la distance entre une cible (51) et ledit capteur, ledit capteur de proximité pouvant être sans contact, de type magnétique ou capacitif, ou avec contact de type inductif (LVDT) sans que ces exemples ne soient limitatifs. La détection peut s'opérer par détection de seuil au niveau de l'électronique du capteur ou ultérieurement par traitement du signal issu du capteur. Le capteur (5) délivre un signal au directeur de commande (60) de la machine à commande numérique via une liaison (500) qui peut être filaire ou radio. Dans le cas d'une liaison filaire, celle-ci est connectée au capteur par un contact tournant. La réception du signal déclenche une action du directeur de commande numérique (60), qui peut être soit d'arrêter les mouvements d'avance ou l'arrêt simultané ou consécutif des mouvements d'avance et de la rotation broche. La détermination du couple maximum autorisé par l'outil est obtenue par calcul ou par des essais spécifiques. Le réglage du serrage pour déclencher le glissement à ce couple prédéterminée est réalisée sur un banc de réglage permettant d'immobiliser l'attachement broche et d'appliquer un couple mesuré sur l'attachement outil (12) ou sur le manche d'outil (31). Le capteur de décalage (5) est utilisé sur ce banc pour finaliser le réglage du couple de glissement en agissant sur l'écrou (26). La description ci-avant illustre clairement que par ses différentes caractéristiques et leurs avantages, la présente invention atteint les objectifs qu'elle s'était fixés. En particulier, elle permet de lier les informations relatives aux conditions limites d'utilisation de l'outil directement audit outil et de rendre la détection de ces conditions critiques indépendantes de la chaînes cinématiques de la machine et de son étalonnage. For example, according to a particular embodiment, a first friction disk (21), pin attachment side is in complete connection with said pin attachment. A second friction disc (22) slidably connected with the tool attachment but free from the spindle attachment, bears on the first disc (21). A third friction disc (23) slidably connected to the spindle attachment but free from the tool attachment bears axially on the second disc. Finally a fourth disc (24) in axial slide connection with the tool attachment and free with respect to the spindle attachment bears axially on the third disc (23). The discs are axially compressed to create a contact pressure between the friction discs by a nut (26) screwing onto the end of the stack opposite the first disc (21) on the spindle attachment. which nut acts on spring means (25), for example belleville® washers. The cutting motion communicated by the spindle to the spindle attachment is transmitted to the tool attachment by friction between the thus stacked and axially interlocked discs. Thus the power transmission between the spindle attachment (11) and the tool attachment (12) is by elements secured together by the friction between the disks. The clamping force applied to the nut (26) determines a maximum transmittable torque between the spindle attachment (11) and the tool attachment (12). Beyond this maximum torque a slip occurs between the discs. Due to this sliding, there is an angular offset between the rotation of the pin attachment (11) and that of the tool attachment (12). A sensor (5) detects this angular offset. Those skilled in the art will choose the type of sensor to be used depending on the desired nature of the sensor output signal, the maximum rotational speed of the tool carrier and the required detection accuracy. By way of example, the sensor may be of the incremental encoder type, a proximity sensor, measuring the distance between a target (51) and said sensor, said proximity sensor being able to be without contact, of magnetic or capacitive type, or with inductive type contact (LVDT) without these examples being limiting. The detection can be done by threshold detection at the sensor electronics or later by processing the signal from the sensor. The sensor (5) provides a signal to the control director (60) of the numerically controlled machine via a link (500) which may be wired or wireless. In the case of a wired connection, it is connected to the sensor by a rotating contact. The reception of the signal triggers an action of the numerical control director (60), which can be either to stop the advance movements or the simultaneous or consecutive stop of the feed movements and the spindle rotation. The determination of the maximum torque allowed by the tool is obtained by calculation or by specific tests. The adjustment of the tightening to trigger the sliding at this predetermined torque is performed on a setting bench for immobilizing the pin attachment and applying a measured torque on the tool attachment (12) or on the tool handle ( 31). The offset sensor (5) is used on this bench to finalize the adjustment of the sliding torque by acting on the nut (26). The above description clearly illustrates that by its different characteristics and advantages, the present invention achieves the objectives it has set for itself. In particular, it makes it possible to link the information relating to the operating conditions of use of the tool directly to said tool and to make the detection of these critical conditions independent of the kinematic chain of the machine and its calibration.

Claims

REVENDICATIONS1. Cutting tool holder (1) characterized in that it comprises: - a spindle attachment (11) adapted to fix said tool holder in the spindle of a machine; - A tool attachment (12) adapted to receive the handle (31) of a cutting tool; - A coupling (20) with adjustable sliding torque between the spindle attachment (11) and the tool attachment (12); - Detecting means (5) for detecting a relative slip between the spindle attachment (11) and the tool attachment (12).

2. Tool holder according to claim 1 characterized in that it further comprises means (500) capable of transmitting a signal when the detection means (5) detect a predefined slip between the two attachments

3. Tool holder according to claim 2 characterized in that the signal is a radio signal.

4. numerically controlled machine tool comprising a tool (3) mounted in a door (1) tool according to claim 2 characterized in that it comprises means for receiving the signal.

5. A method for controlling a machine tool according to claim 5 characterized in that it comprises steps of: - perform machining by giving the tool (3) a cutting movement and a movement in advance while scrutinizing the state of the signal; - interrupt the machining when the signal is detected.

6. Method according to claim 5 characterized in that the machining is interrupted by stopping advance movements.

7. The method of claim 5 characterized in that the machining is interrupted by stopping the advance movement and the cutting movement.

8. The method of claim 6 characterized in that it comprises a step of resuming the machining after the interruption thereof.