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'élimination 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.

Un outillage connu est décrit dans le document DE 1 402 888 A.

L'invention a pour objectif de créer une pointe brute d'une précision jusqu'ici jamais atteinte.

L'invention est décrite plus précisément ci-après sur la base du dessin. La figure 1 montre à ce niveau une pointe de stylo-bille telle qu'elle peut par exemple être fabriquée à l'aide de l'outillage de l'invention, 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 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 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 autour 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 être ajustées et fixées individuellement dans une tête d'outillage.

Les paliers de la broche de précision consistent en 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 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 5c, 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 µm, 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 µm. 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 10a qui possède la rotondité et la cylindricité évoquée précédemment et sert de référence. La zone de base 10a 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 l'arête 10b) 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 10b, 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 10a (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 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 lOb, 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 10a (par l'axe 16) et forme par rapport à la surface de façade 12a un angle supérieur à 90°, de préférence environ 120°. 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 10a 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 µm.

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 :

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 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 90°, on obtient alors une réduction du diamètre du cône 5a et de l'épaulement 5c. 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 définie 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 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 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 10a représente classiquement le double du diamètre, sans s'y limiter.