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CA 02473055 2008-10-07
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OUTILLAGE POUR LA FABRICATION DE POINTES DE STYLOS-
BILLES
L'invention concerne un outillage pour la fabrication
de pointes de stylo-billes, dites pointes brutes, dans
leur zone d'assise et de préférence dans leur zone de
cône. De plus, l'invention concerne la fabrication de
tels outillages et leur montage dans des broches de
précision à rotation rapide.
Selon l'état de la technique, l'usinage de ces zones
était réalisé successivement au moyen d'automates
.usuels à disques de changement de vitesse en
différentes étapes de travail successives, ce qui avait
pour conséquence qu'aussi bien l'excentricité que la
formation de bavures n'étaient pas suffisamment
maîtrisées. Ultérieurement, des outillages en plusieurs
pièces qui pouvaient être maintenus de manière à
pouvoir être montés et fixés individuellement dans un
dispositif commun de serrage ont été développés. Cela
résolvait certes le problème de l'ëlimination des
bavures, mais la concentricité au micromètre près de
même que les dimensions souhaitées des pointes
d'écriture ne pouvaient être atteintes qu'avec la plus
grande difficulté, du fait qu'on ne disposait pas de
broches de haute précision à rotation rapide dont l'axe
de rotation, de l'arrêt à la vitesse maximale de
rotation, aurait présenté un écart ne dépassant pas 0,5
micromètre.
L'invention a pour objectif de créer une pointe brute
d'une précision jusqu'ici jamais atteinte.
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la
La présente invention vise aussi un outillage monolithique servant à la
fabrication
par enlèvement de copeaux de pointes de stylos-billes, dites pointes brutes,
dans
leur zone d'assise et dans leur cône, présentant un élément de zone d'assise
pour
la fabrication de la zone d'assise, caractérisé en ce qu'il présente également
un
élément de cône pour la fabrication du cône et que ces éléments sont formés
sur
une pièce de base.
La présente invention vise aussi un procédé pour la fabrication de l'outillage
par
érosion par fil, caractérisé en ce que, pour fabriquer une surface
correspondante, le
fil est rapproché d'abord en appliquant une faible tension, par exemple 10 V,
à la
référence associée à cette surface, jusqu'à ce qu'un contact ait lieu, ce qui
permet
d'obtenir une position exactement reproductible et précisément définie du fil
et
qu'ensuite la surface correspondante est fabriquée.
La présente invention vise aussi un procédé pour l'ajustage de l'axe de
l'outillage
par rapport à l'axe de rotation d'une broche de précision, caractérisé en ce
que
l'outillage est amené par rotation de la broche, après son insertion et sa
fixation
dans un support mobile par rapport à l'axe de rotation dans la direction X et
Y de la
broche de précision, dans au moins trois positions orthogonales, qu'à chacune
de
ces positions l'écart par rapport à la coaxialité des deux axes est défini par
mesure
des zones cylindriques partielles de la base, après quai la correction
nécessaire est
effectuée par un décalage correspondant dans la direction X et Y.
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la figure 2 montre un outillage selon l'invention,
les figures 3 et 4 une variante particulièrement
privilégiée d'un outillage selon l'invention.
La figure 1 montre une pointe de stylo-bille après
l'achèvement de l'usinage par enlèvement de copeaux
(pointe brute) avec une bille insérée seulement à des
fins explicatives. De telles pointes de stylos-billes
consistent habituellement en laiton ou maillechort
facile à usiner par enlèvement de copeaux et à copeaux
courts.
Comme on le voit en figure 1, une pointe de stylo-bille
1 a une structure très complexe. Pour l'essentiel, elle
présente un canal central d'acheminement 2 pour l'encre
du stylo-bille, appelée ci-après pour simplifier
l'encre, qui débouche au moyen d'un alésage 2a dans une
zone d'assise 3 pour la bille 4. Cette zone d'assise 3
consiste essentiellement en un alésage pilote 3a dans
le prolongement de l'alésage 2a, en une surface de fond
3b de forme annulaire et en un alésage cylindrique 3c
qui débouche sur une surface frontale 3d.
Le contour extérieur situé dans le prolongement de la
surface frontale 3d consiste en un cône 5a, qui forme
avec la zone d'assise 3 ce que l'on appelle la lèvre
(le rebord) 9. Au cône 5a se raccorde, dans l'exemple
de réalisation représenté, par l'intermédiaire d'un
épaulement 5c, un autre cône 5b, dont la configuration
et la fonction sont expliquées plus loin. Un épaulement
6 et une tige 7 y sont ensuite raccordés.
Il n'est pas fait état dans cette description des
différentes transitions, chanfreinages, talons
intermédiaires et similaires parce qu'ils n'ont pas une
grande importance pour la compréhension de l'invention
et parce qu'ils sont bien connus par expérience de
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l'homme de métier dans le secteur de la fabrication de
pointes de stylos-billes.
Il faut également bien retenir, pour une meilleure
compréhension des problèmes lors de la fabrication
d'une telle pointe de stylo-bille, que, pour des
pointes de stylos-billes comme celles de l'exemple de
réalisation représenté, le diamètre maximal dans la
zone de l'épaulement 6 ne dépasse qu'à peine 2 mm et
que la zone d'assise 3 de la bille 4 doit être
fabriquée avec une précision d'un micromètre ou mieux.
Cette précision doit être atteinte à des vitesses
maximales d'impulsion (240 pièces/minute, ce qui laisse
un temps de 0,125 secondes pour l'usinage par
enlèvement de copeaux proprement dit) et de la façon la
plus fiable possible. Le coût d'une telle pointe de
stylo-bille fabriquée la plupart du temps en laiton est
de l'ordre de moins d'un cent de dollar.
Il est d'une importance extrême pour la qualité du
stylo-bille fini que l'alésage pilote 3a se situe
précisément concentriquement par rapport à l'épaulement
3b et à l'alésage cylindrique 3c. De plus, la surface
frontale 3d doit être configurée de manière précisément
cylindrique en rotation par rapport à l'axe 3e de la
zone d'assise 3. Le cône 5a doit aussi être disposé
précisément concentriquement par rapport à l'axe 3e. On
entend dans cette description par précisément des
écarts de dimension de forme et de position dans une
fourchette de 0,001 fois le diamètre nominal de
l'alésage 3c.
La longueur de l'alésage pilote 3a est alors également
importante en plus de la concentricité entre l'alésage
pilote et l'épaulement pour les raisons suivantes :
Après l'usinage par enlèvement de copeaux de la pointe
de stylo-bille, les canaux à encre sont créés dans la
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zone de transition de l'alésage pilote 3a vers
l'épaulement 3b à l'aide d'un outil d'estampage et la
bille est comprimée dans son assise dans le sens axial.
Il faut alors s'assurer, en cas d'apparition de
drapeaux , qui peuvent se produire lors de cet
usinage suite au refoulement de la matière par rapport
à l'axe, que l'afflux d'encre peut se faire
parfaitement dans la pointe finie du stylo-bille, ce
qui est garanti par une profondeur suffisante de
l'alésage pilote.
La figure 1 présente du côté gauche la forme de
l'ébauche pressée à froid 8 à partir de laquelle sont
usinés par la suite par enlèvement de copeaux les
alésages 2 et 2a, la zone d'assise 3 et le cône 5a.
La figure 1 montre également une bille insérée
fictivement 4 afin d'illustrer la proéminence de la
bille sur la surface frontale 3d.
Les canaux à encre sont ensuite estampés dans la
surface frontale de forme annulaire 3b, la bille est
insérée, comprimée dans la surface d'assise et la zone
du rebord est bridée autour de la bille. Par le
bridage, par exemple au moyen d'une tête rotative, on
constitue autôur de la boule 4 et vers l'assise une
fente incurvée étroite de forme annulaire d'une
précision microscopique. La précision géométrique de
cette.fente est la condition préalable d'une pointe de
stylo-bille de qualité.
Il est nécessaire dans l'état de la technique
d'utiliser pour créer la zone d'assise 3 et le cône 5
un outillage en plusieurs pièces, dont les pièces sont
disposées dans une broche de précision à rotation
rapide (18000 à 60000 rotations/min.) tout en pouvant
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être ajustées et fixées individuellement dans une tête
d'outillage.
Les paliers de la broche de précision consistent en
5 paliers à billes fortement précontraints avec un angle
de contact de 15 à 30 , de préférence des paliers
hybrides de la classe de précision maximale (ABEC 9)
dans un boîtier de broche dont la précision est de IT
01 à IT 1 en masse, cylindricité, concentricité,
parallélisme. Les surfaces destinées à recevoir les
paliers utilisés ne doivent pas avoir une rugosité Ra
excédant 0,1. Grâce à cette précision, la précontrainte
des paliers peut être réalisée au delà des limites
usuelles sans que cela provoque un échauffement non
admissible de la broche. Un brouillard huileux convient
par exemple comme système de graissage des paliers. De
plus, il faut un joint sans contact, par exemple un
joint labyrinthe, pour limiter la chaleur due à la
friction. La concentricité peut également être
maîtrisée avec de telles broches.
Il reste le problème de l'ajustement avec la précision
nécessaire des outillages en plusieurs pièces lors du
démontage pour des travaux de retouche et du remontage,
ainsi que lors du desserrage, du réglage et d'autres
changements de position des différentes pièces de
l'outillage. Ceci nécessite de maintenir parfaitement
propre les surfaces de serrage de l'outillage et du
dispositif de serrage, car même les plus légères
modifications de la situation de serrage, que ce soit
du fait d'infimes particules ou de modifications dues
au serrage de l'outillage ou similaires, rendent
incertaine la corrélation avant et après la correction.
Grâce aux outillages en plusieurs pièces connus pouvant
être ajustés et fixés individuellement, les dimensions
souhaitées (à un micromètre près) et la géométrie
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désirée (également à un micromètre près) de la pointe
brute ne peuvent être que très difficilement obtenues.
Des tentatives de création d'un outillage en une seule
pièce (monolithique) permettant de fabriquer la zone
d'assise 3 et de préférence aussi le cône 5a,
éventuellement avec l'épaulement Sc, ont échoué du fait
qu'un tel outillage composé habituellement de carbure
de tungstène à grains fins contenant par exemple 4 % de
Co, est très difficile à rectifier, notamment avec un
rayon d'arête de 0,02 mm. En raison de l'usure du
profil de la meule, il est nécessaire de la dresser
fréquemment avec tous les problèmes que cela entraîne.
Le recours à l'érosion par étincelage est donc
avantageux. En cas d'utilisation d'une matière plus
moderne, par exemple un diamant polycristallin à grains
fins (DPC), un usinage n'est possible que par érosion
par étincelage (EDM, electro discharge machining), de
préférence par érosion par fil (wire-EDM) avec un
diamètre de fil de 15 à 50 m, afin de pouvoir
fabriquer les petits rayons de transition requis.
La figure 2 montre un outillage conforme à l'invention
10 qui atteint cet objectif. Cet outillage est fabriqué
à partir d'un bâtonnet cylindrique d'un diamètre de 4
mm par exemple, avec une rotondité et une cylindricité
dont l'écart est de moins de 0,5 m. Cette précision
peut être atteinte par rectification sans pointe
(centerless grinding).
Cet outillage monolithique 10, qui tourne lors de
l'usinage d'une pointe de stylo-bille dans le sens de
la flèche D, présente une zone de base l0a qui possède
la rotondité et la cylindricité évoquée précédemment et
sert de référence. La zone de base l0a est à cet effet
de préférence constituée à distance axiale de l'élément
de zone d'assise (de préférence à 1,5 mm de distance de
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l'arête lOb) le long de sa circonférence complète. Dans
la zone supérieure , l'élément de base est décalé en
gradin parallèlement à l'axe 16, dans le sens axial
jusqu'à la zone de base complète, le long de l'arête
lOb, qui se trouve à une distance appropriée (au moins
51 % du diamètre de l'alésage 3c, figure 1) . Ce gradin
laisse de la place pour une pièce non représentée de
l'outillage qui forme la zone du cône 5a. L'élément de
zone d'assise 12 qui forme l'alésage pilote 3a, la
surface de fond de forme annulaire 3b, l'alésage
cylindrique 3c et la surface frontale 3d dépasse de la
base.
Dans l'exemple de réalisation représenté, l'élément de
zone d'assise 12 présente un contour de coupe 14
plusieurs fois replié qui est composé des sections
suivantes : la section supérieure extrême crée la
transition de l'alésage 2a vers l'alésage pilote 3a,
les sections suivantes l'alésage pilote 3a, la surface
de fond de forme annulaire 3b, l'alésage cylindrique 3c
et enfin la surface frontale 3d. Le contour de coupe 14
se trouve dans une zone de façade 12a qui se situe de
préférence de 0,05 à 0,1 mm au dessus du centre de la
base l0a (indiqué par le point de percement de l'axe 16
dans la surface 12c). Ceci permet de constituer les
surfaces libres 12b perpendiculairement par rapport à
la zone de façade 12a, ce qui permet d'obtenir une
géométrie de coupe mécaniquement stable résistant à
l'usure.
Une correction au niveau du diamètre de la zone
d'assise peut être effectuée à partir du dispositif de
serrage par décalage transversal par rapport à l'axe 16
sans enlever la partie d'outillage en une pièce 10
comportant l'élément de zone d'assise 12, les
différentes distances entre les sections de la zone
d'assise 3a, 3b, 3c et 3d ne pouvant changer les unes
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par rapport aux autres sur l'outillage du fait de sa
configuration en une seule pièce. Seuls les diamètres
sont modifiés simultanément de respectivement la même
valeur du fait du décalage. Lorsque les diamètres
atteignent la valeur souhaitée, la proéminence exacte
de la bille au dessus de la surface frontale 3d est
obtenue sans rien faire de plus.
Cet outillage en une pièce 10 pour la zone d'assise est
complété, comme mentionné plus haut, par une pièce non
représentée pour la zone de cône 5a et de préférence
l'épaulement 5c. Les problèmes précités des outillages
.en plusieurs pièces ne jouent toutefois en l'occurrence
qu'un rôle négligeable car on n'a pas à enlever
l'outillage en une pièce 10 et seule l'épaisseur de
paroi du rebord 9 (figure 1) peut varier du fait
d'écarts éventuels lors de la remise en place de
l'élément de cône dans une fourchette de quelques
micromètres, mais sa concentricité n'est pas affectée.
Grâce à cette pièce de cône indépendante, il devient
possible d'influer, par son décalage par rapport aux
parties en une pièce 10 le long du plan s'étendant
parallèlement à l'axe 16 et délimité par l'arête 10b,
sur l'épaisseur du rebord 9 indépendamment des
diamètres de la zone d'assise 3.
Les figures 3 et 4 montrent un outillage selon
l'invention dans lequel aussi bien l'élément de zone
d'assise 12 qu'un élément de cône 13 sont configurés en
une pièce sur une pièce de base commune 10a. Dans
l'exemple de réalisation représenté, l'élément de cône
13 forme le cône 5a et l'épaulement 5c (figure 1).
L'élément de cône 13 présente une surface de façade 13a
qui traverse de préférence le centre de la base l0a
(par l'axe 16) et forme par rapport à la surface de
façade 12a un angle supérieur à 900, de préférence
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environ 1201. On obtient ainsi aussi bien assez
d'espace pour l'évacuation des copeaux des deux
contours de coupe 14, 15 qu'une résistance mécanique
suffisante des deux éléments 12, 13.
En synthèse des figures 3 et 4, on voit dans le sens
axial l'incision profonde devant la surface de façade
13a et la rainure entre l'élément de zone d'assise 12
et l'élément de cône 13. Ces espaces libres peuvent
être créés suivant le procédé décrit ultérieurement. Il
ressort également de la figure 3 la configuration
complexe des minuscules surfaces de l'élément de zone
d'assise 12, dont la fabrication précise devient
également possible suivant le procédé décrit
ultérieurement.
Pour les deux formes de réalisation de l'outillage en
une pièce, le positionnement de l'outillage 10 se fait
en plusieurs étapes : Tout d'abord, son axe 16 est
amené en coïncidence avec l'axe de rotation de la
broche de précision par décalage de l'outillage ou de
son dispositif de serrage dans la direction X et/ou Y
(qui forment avec la direction Z un système orthogonal
à coordonnées, la direction Z coïncidant avec l'axe
16). Ceci se fait grâce à la rotation de la broche dans
quatre positions orthogonales prédéfinies (qui sont en
relation avec le plan de la façade 12a) et marquées de
manière adéquate, à la définition de la distance de la
surface cylindrique précise de la base l0a à ces
positions par rapport à un indicateur à cadran
(Mikrokator) précis disposé fixement pendant
l'opération de positionnement. L'écart ainsi constaté
dans la direction X ou Y est corrigé par décalage de
l'outillage jusqu'à ce que l'écart soit inférieur à 0,5
m.
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Quelques échantillons sont ensuite fabriqués et
mesurés. Les écarts alors constatés des pointes brutes
obtenues par rapport aux dimensions souhaitées peuvent
être rectifiés comme suit
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Pour agrandir les diamètres de la zone d'assise 3, il
suffit de décaler l'outillage 10 parallèlement au plan
de la façade, donc dans la direction de l'axe X. Dans
cette direction, le plan de façade 12a a été
10 précisément positionné lors de la mise en place de
l'outillage 10. Comme l'angle entre les plans de façade
12a et 13a est supérieur à 900, on obtient alors une
réduction du diamètre du cône 5a et de l'épaulement Sc.
Ceci peut être compensé par un décalage correspondant
vers l'axe Y. On peut facilement définir de manière
numérique ou graphique, en connaissant l'angle entre
les plans de façade 12a et 13a, aussi bien dans la
direction X que dans la direction Y, l'amplitude du
décalage qui assure le diamètre souhaité de la zone
d'assise 3 et de l'épaisseur souhaitée du rebord 9. Il
faut alors toujours veiller à ce que l'axe 16 de
l'outillage 10 reste exactement parallèle à l'axe de la
broche de précision..
La fabrication d'un outillage selon l'invention se fait
par érosion par fil et est possible en utilisant les
bâtonnets cylindriques de haute précision précédemment
évoqués avec la surface de chemise dans la pièce de
base 10a. Le fil est d'abord rapproché de la surface
cylindrique de chemise du bâtonnet en appliquant une
légère tension (par exemple 10 V) jusqu'à ce qu'il y
ait un contact, sur quoi on obtient, suite à la
configuration précise du bâtonnet, une position
exactement reproductible et exactement définîe du fil,
à proprement parler de sa surface de chemise, par
rapport à l'axe du bâtonnet 16. Il est donc possible de
fabriquer les différentes arêtes, surfaces et rainures
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de l'outillage 10 avec la précision requise malgré
différents changements de position ou opérations de
serrage de l'outillage 10 ou du fil.
Il faut de préférence prévoir, pour la fabrication
d'épaulements ou similaires qui ne doivent être
orientés ni parallèlement, ni perpendiculairement par
rapport à l'axe 16, d'autres références, soit des
surfaces, soit des arêtes.
Il est pour ce faire nécessaire de déterminer et de
prendre en compte expérimentalement la distance de la
surface de chemise du fil par rapport à la surface à
usiner (fente d'étincelage) dans les conditions
d'usinage (tension substantiellement plus élevée, que
dans l'opération de mesure précédemment mentionnée,
fréquence utilisée, capacité, dimension de la surface,
etc.). Rentrent en ligne de compte comme matières pour
le fil de haute précision de préférence le tungstène,
le molybdène ou du fil d'acier enrobé de laiton.
Il faut de nouveau insister sur le fait que le diamètre
de l'outillage 10 n'est dans sa partie cylindrique
prévue pour la définition de la position que de 4 mm et
que la position des contours de coupe 14, 15 doit être
établie avec une précision de moins d'un micromètre.
Les surfaces 12a, 12b, 12c du contour de coupe 14 et
les surfaces analogues du contour de coupe 15 doivent
répondre à la géométrie prédéfinie à un micromètre
près.
Il ne sera pas au cours de cette description rentré
dans des détails tels que la présentation par exemple
de l'arête ou de la baguette 17 qui est utilisée comme
référence visuellement reconnaissable pour le montage
de l'outillage 10 au niveau de l'alignement précis par
rapport à l'axe X aussi bien lors de sa fabrication que
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de son utilisation. On se contentera de noter qu'il
n'est pas absolument indispensable, lors de la
fabrication et aussi du montage de l'outillage 10, que,
comme le montrent les figures 2 et 4, une zone
comportant une chemise extérieure cylindrique
entièrement continue soit prévue, il suffit qu'il
subsiste là des zones de la chemise cylindrique
extérieure de haute précision où cela est indispensable
à l'ajustage ou au calibrage de la machine à éroder par
étincelage et à la mise en place et l'ajustage dans le
dispositif de serrage de la broche de précision.
L'invention ne se limite pas à l'exemple de réalisation
représenté, mais peut être modifiée de diverses
manières. Il est ainsi d'abord possible d'adapter la
forme et la position des contours de coupe à la forme
requise de la zone d'assise 3 (surface de fond conique
3b, etc.) ou du cône 5a à la pointe de stylo-bille. Il
n'est pas nécessaire qu'un autre cône 5b se raccorde au
cône 5a. La longueur axiale de la pièce de base l0a
représente classiquement le double du diamètre, sans
s'y limiter.
