EP4701809A1

EP4701809A1 - Machine-outil d'usinage mettant en oeuvre un procédé de soudage par friction malaxage, son procédé de travail et outil de soudage par friction malaxage

Info

Publication number: EP4701809A1
Application number: EP24727499.6A
Authority: EP
Inventors: Romain FONVIEILLE
Original assignee: Comau France SAS
Current assignee: Comau France SAS
Priority date: 2023-04-26
Filing date: 2024-04-25
Publication date: 2026-03-04
Also published as: WO2024224330A1; FR3148155B1; FR3148155A1

Abstract

L'invention concerne une machine-outil d'usinage qui est remarquable en ce qu'elle accueille et entraîne en rotation un outil (500) de soudage par friction malaxage comprenant une première extrémité (510) de soudage par friction malaxage avec un pion (511) et un épaulement (512) tournants, l'effort nécessaire à la mise en œuvre d'un procédé de soudage par friction malaxage étant mesuré et maintenu à des fins de création d'un asservissement en effort Sors du contact entre l'outil (500) et les pièces à assembler par la fonctionnalité de maîtrise et de contrôle de l'effort lors d'un déplacement jusqu'à une butée fixe. L'invention concerne également le procédé de travail et l'outil permettant de mettre en œuvre les opérations de soudage par friction malaxage.

Description

Titre de l’invention :Machine-outil d’usinage mettant en œuvre un procédé de soudage par friction malaxage, son procédé de travailetoutilde soudage par friction malaxage

[0001 ] DOMAINE D'APPLICATION DE L’INVENTION

[0002] La présente invention a trait au domaine du soudage par friction et notamment aux adaptations permettant à une machine-outil d’usinage de metre en œuvre un tel procédé dans les meilleures conditions,

[0003] DESCRIPTION DE L’ART ANTERIEUR

[0004] Le procédé de soudage par friction malaxage, connu sous l’abrégé de FSW pour « Friction Stir Welding », est un procédé de soudage qui consiste à assembler deux pièces en amenant leurs surfaces en contact vers un état pâteux grâce à un outil tournant spécialement conçu à cet effet.

[0005] Cet outil comporte classiquement un épaulement et un pion coaxial qui. appliqués et mis en rotation, amènent localement des pièces à assembler dans un état pâteux. L’outil est appliqué et tourne sur la ligne de contact entre tes deux pièces à assembler ou alors en traversant la première épaisseur pour la souder à la deuxième pour deux pièces superposées.

[0006] Cet outil pénètre dans les matériaux ramollis et les malaxe pour les mélanger intimement.

[0007] L’assemblage est obtenu par la progression de l’outil tournant, qui parcourt la ligne de contact ou la trajectoire souhaitée.

[0008] On comprend que la mise en oeuvre de ce procédé requiert que l’outil exerce une forte contrainte sur les pièces à assembler. Cette forte contrainte requiert des moyens d’entraînement et des moyens de commande prévus à cet effet.

[0009] Les moyens d'entraînement classiques des machines-outils d’usinage ne sont pas dimensionnés ou prévus pour cette mise en œuvre. De même, les moyens de commande n’ont pas été envisagés pour les gérer. Ainsi, par exemple l'effort axial permetant d’obtenir tes bonnes conditions de soudage doit être maîtrisé tout au long du procédé FSW.

[0010] Or, un des probièmes résultant de ce procédé réside dans la présence d’une bavure résiduelle de part et d'autre de la sone soudée, bavure résiduelle communément appelée « flash ». Cete bavure doit être retirée et le meilleur moyen industriel pour te faire réside dans un usinage, procédé qui classiquement maîtrise tes positions et non tes efforts.

[0011] Des moyens permettant d’appliquer te procédé FSW existent dans l’état de la technique.

[0012] Par exemple, te document W00002704 décrit une machine à architecture portique avec un système de commande pour 1e soudage FSW comprenant à la fois une commande de force et de position. Le mode de commande du système commute entre la commande de position et la commande de force sur la base de paramètres de commande pour la force et la position de la tête de soudage par rapport à la pièce.

[0013] Il existe également une tête de FSW telle celte décrite dans FR3045426 qui est conçue pour être intégrée dans un centre d’usinage pour te transformer de centre d’usinage à centre de soudage par friction malaxage.

[0014] Aucun de ces moyens ne permet d’usiner de manière industrielle la bavure « flash » produite.

[0015] Par exemple, dans te cas d'une machine-outil dédiée au FSW, la pièce obtenue est transférée vers une autre machine-outil dédiée à l’usinage,

[0016] Dans te cas où la tête de FSW est conçue pour être intégrée â un centre d’usinage, il est proposé de monter manuellement un outil de fraisage pour pouvoir usiner la bavure. Néanmoins, les capacités de rotation limitées de la tête dédiée et te temps de changement ne permetent pas d’exploiter de façon efficace ce procédé pour des applications de type automobile ou aéronautique qui nécessitent un moyen industriel pour produire en grande cadence.

[0017] Le document US10016838 décrit un outil de soudage par friction-malaxage pouvant être fixé à une broche d'une machine-outil. Il décrit également une machine-outil susceptible de l'accueillir ainsi que te problème technique de la gestion de température. La solution proposée est une nouvel!© conception d’outil comprenant une enveloppe de refroidissement. Si le problème de la température est abordé, ce document ne décrit pas la problématique de la gestion des efforts et notamment des asservissements en effort liés à la mise en œuvre d’un procédé de FSW sur une machine non dédiée.

[0018] Le document JP2020069563 décrit une machine-outil capable d'effectuer un usinage par soudage et un usinage par découpe dans une zone d'usinage, de réduire un temps dé cycle et de supprimer le transfert de chaleur vers une broche et un roulement supportant la broche, même si l’on utilise un porte-outil polyvalent. Ce document n’a pas identifié non plus le problème technique lié à la gestion de l’effort et n’y apporte pas de solution.

[0019] Le document US2011/079339 décrit un équipement de contrôle de la force d’une broche de soudage par friction-malaxage destinée à être montée sur une tête orbitale qui utilise un capteur coaxial pour mesurer la force d'appui. Le système comprend un capteur d'effort ajouté qui mesure la force d’appui laquelle est appliquée au moyen d’un actionneur électrique.

[0020] Ces moyens ne se suffisent donc pas à eux seuls pour produire des pièces avec soudage par friction malaxage de manière complète et réaliser des opérations d’usinage dans de bonnes conditions industrielles.

[0021] BREVE DESCRIPTION DE L’INVENTION

[0022] Ce que constatant, la demanderesse a mené des recherches visant à industrialiser ce procédé de soudage en exploitant ses avantages à l’échelle de la grande production.

[0023] Le moyen pour le faire est de combiner le FSW et l’usinage avec de bonnes performances dans un seul et même moyen c'est-à-dire dans une seule et même machine-outil. Les avantages de l’intégration du procédé FSW dans une machine-outil ou un centre d’usinage sont nombreux, parmi ceux-ci :

[0024] - De conserver les capacités de production importantes de ce moyen (grâce à ses performances, ses changements automatiques d'outils, etc...),

[0025]- De conserver une capacité d’usinage avec de bonnes caractéristiques (notamment la vitesse de rotation de la broche), et [0026] - d’y intégrer un procédé de fabrication supplémentaire à savoir le F SW.

[0027] La mise en œuvre de cete combinaison se heurte néanmoins à l’antagonisme de ces deux procédés sur de nombreux paramètres tels les efforts axiaux, 1a température, la vitesse de rotation, la vitesse d’avance, les efforts radiaux, tes asservissements .

[0028] Par exemple, les asservissements en position classiquement mis en œuvre dans une machine-outil d'usinage ne permettent pas d’assurer la maîtrise des efforts nécessaires à la mise en œuvre d’un procédé FSW.

[0029] L’invention se base sur une machine-outil d’usinage équipée

[0030] d’une broche porte-outil préformée d’une empreinte pour accueillir une pluralité d’outils â entraîner en rotation selon l’axe de la broche,

[0031] d’un module porte-pièce(s),

[0032] d’un sous-ensemble de guidage et de mise en mouvement en translation de la broche vers le module porte-pièce et/ou du module porte-pièce vers la broche selon un axe parallèle à l’axe de la broche,

[0033]- d’une commande numérique mettant notamment en œuvre pour ledit sous- ensemble de guidage et de mise en mouvement, un asservissement en position, ainsi qu’une fonctionnalité de maîtrise et de contrôle de l’effort lors d’un déplacement jusqu’à une butée fixe.

[0034] Selon l’invention, la machine-outil est remarquable en ce qu’elle accueille et entraîne en rotation un outil dé soudage par friction malaxage comprenant une première extrémité de soudage par friction malaxage avec un pion et un épaulement et une deuxième extrémité avec une interface mécanique adaptée à ladite empreinte de la broche, l'entraînement en rotation entraînant en rotation le pion et répaulement,

[0035] l’effort nécessaire à la mise en œuvre d’un procédé de soudage par friction malaxage étant mesuré et maintenu lors du contact entre l’outil et les pièces à assembler par la fonctionnalité de maîtrise et de contrôle de l’effort lors d’un déplacement jusqu'à une butée fixe pour être modifié, contrôlé et maintenu en regard d’une valeur de consigne de sorte qu’un asservissement en effort soit créé. [0036] Cete machine-outil est ainsi capable d’effectuer du soudage par friction malaxage (dit FSW) et de l’usinage en passant de l'un à l’autre de manière automatique et industrielle sans intervention d’un opérateur. Ce moyen est industriel et capable de produire en grand volume des pièces nécessitant du soudage par friction et de l’usinage.

[0037] La demanderesse a réussi à apporter à la commande numérique gérant l’axe concerné une capacité à être asservi en effort (et plus en position, au moins durant les phases de FSW) pour appliquer l’effort axial nécessaire au soudage par friction. L’utilisation différente d’une fonction connue et disponible de la commande numérique à savoir la fonction dite « accostage de butée » permet de créer un asservissement en effort sur ledit axe de travail alors que cette fonction est classiquement utilisée pour générer des forces définies pour bloquer des pièces ou pour accoster des points de références mécaniques.

[0038] L’utilisation nouvelle d’une telle fonction de commande numérique à des fins de mise en œuvre d’un procédé de FSW est donc particulièrement originale.

[0039] La fonction de maîtrise et de maintien de l’effort axial sur un axe de travail de la machine-outil d’usinage (celui parallèle à Taxe de rotation de l’outil de soudage) permet d’obtenir les bonnes conditions d’effort pour assurer le soudage par friction malaxage lorsque l’outil de FSW est installé.

[0040] Concrètement, cette fonction est mise en œuvre en donnant comme valeur de consigne de l’effort (connue sous le nom de force d’accostage dans le cadre de la fonctionnalité d’accostage butée), la valeur souhaitée pour un effort nécessaire à la mise en œuvre d’un procédé de FSW avec épaulement et pion tournants.

[0041] La commande numérique va ainsi maintenir cet effort pendant cette phase de procédé créant ainsi un asservissement en effort sur cet axe.

[0042] La conception de la machine permet ainsi de passer de l’opération de FSW aux opérations d’usinage classiques, et vice versa, de façon automatique sans aucune intervention manuelle de l’opérateur, d’où le gain important de productivité. Ce passage est mis en œuvre sans ajout de matériel ou de module fonctionnel. (0043] Ainsi, un autre objet de l’invention réside dans le procédé de travail d’une telle machine-outil d’usinage qui propose l’usinage et le procédé FSW et. selon l’outil accueilli, de passer d’un asservissement en position à un asservissement en effort et vice-versa. Le procédé est décrit plus bas.

[0044] Selon une autre caractéristique particulièrement avantageuse de l’invention, ladite empreinte est celle correspondant à la norme HSK. L'interface mécanique équipant l’outil correspond alors à cette norme.

[0045] Plus précisément, selon un mode de réalisation préféré mais non limitatif, ladite empreinte est celle correspondant à la norme HSK100 et l’outil FSW est équipé d’une interface de la même norme. Cet attachement admet davantage d’effort au niveau des roulements de broche (en comparaison avec un attachement HSK 63) et permet ainsi d’avoir une plus grande longévité et une plus grande vitesse d’avance au niveau du procédé FSW. L'avantage de conserver une interface de broche standard est de conserver les fonctions de changement automatique d’outils, de magasin d’outils et de chargement automatique des outils de la machine-outil d’usinage. L’outil FSW peut donc être stocké et mis à disposition dans le magasin standard de la machine-outil

[0046] Un autre objet de l'invention concerne l’outil de FSW utilisable par la machine- outil de l’invention dans le procédé de l’invention. Un tel outil est décrit plus bas.

[0047] Selon une autre caractéristique particulièrement avantageuse de l’invention, ledit sous-ensemble de guidage et de mise en mouvement en translation de la broche vers le module porte-pièce et/ou du module porte-pièce vers la broche selon un axe parallèle à l’axe de la broche comprend au moins un moteur linéaire.

[0048] Une telle motorisation permet les fonctionnalités d’ »accostage butée » dans leur programmation. La technologie moteurs linéaires permet de lire et d’asservir avec une grande précision, l’effort sur cet axe car l’entraînement est direct. La fonction « Accostage de butée » de la commande numérique de ces moteurs est exploitée de façon originale par l'invention pour effectuer le soudage en l’utilisant pour asservir l’axe en effort (et plus en position), cette manœuvre permet d’appliquer un effort axial constant, nécessaire au procédé de FSW, pour la phase d’accostage et pendant la phase de soudage de la pièce. (0049] Cete motorisation offre également la possibilité pendant la phase de soudage, d’utiliser les fonctions de commande numérique pour limiter I' effort maxi donc le courant moteur tout en travaillant avec la consigne de position mais limité par le courant maximal.

[0050] Dans des configurations de machine-outil d’usinage à broche orientable du type de celte comprenant :

[0051] un sous-ensemble de guidage et de mise en mouvement en translation de ia broche vers le module porte-pièce et/ou du module porte-pièce vers la broche selon un axe parallèle à l’axe de la broche, et

[0052] une commande numérique mettant notamment en oeuvre pour ledit sous- ensemble de guidage et de mise en mouvement, un asservissement en position ainsi qu'une fonctionnalité de maîtrise et de contrôle de l’effort lors d’un déplacement jusqu’à une butée fixe,

[0053] La broche et le dispositif porte pièce vont être orientés de sorte que l’axe de rotation de la broche soit parallèle à l’axe de déplacement en translation géré par ledit sous-ensemble.

[0054] Ainsi, il n’est pas nécessaire que l’ensemble des mouvements de la structure logique associée à la broche soient linéaires. L’orientation de la broche permet de disposer de l’asservissement voulu sur l’axe qui le propose.

[0055] Comme expliqué plus haut, l’invention réside également dans le procédé de travail d’une machine-outil d’usinage qui reprend tout ou partie des caractéristiques ci-dessus décrites et qui est remarquable en ce qu’il comprend les opérations suivantes :

[0056] - Opération de soudage par friction malaxage avec asservissement en effort sur l’axe parallèle à l’axe de rotation de l’outil, asservissement en effort créé par exploitation à cette fin de la fonctionnalité de maîtrise et de contrôle de l’effort lors d’ un déplacement jusqu’à une butée fixe,

[0057] - Opération d’usinage avec asservissement en position sur l’axe parallèle à l’axe de rotation de l’outil.

[0058] Plus précisément : [0059] Durant l'opération de FSW, il y a asservissement en effort sur l'axe parallèle à l’axe de rotation de l’outil et asservissement en position pour les autres axes.

[0060] De plus, comme expliqué plus haut les autres axes (ceux perpendiculaires à l’axe de rotation) définissant la trajectoire de soudure de l’outil de FSW peuvent faire l’objet d’une mesure d’effort mais sans asservissement en effort car ils sont alors eux-mêmes asservis en position.

[0061] Durant l’opération d'usinage, il y a asservissement en position pour tous les axes.

[0062] Les opérations d'usinage peuvent être réalisées à des fins de l’usinage de la bavure « flash » ou tout autre usinage.

[0063] On comprend que si la machine-outil de l’invention peut mettre en œuvre un tel procédé, un parc d'au moins deux machines-outils conformes à l’invention peut mettre en œuvre un procédé différent où les machines sont dédiées pourront être dédiées à une opération c’est-à-dire l’une à l’opération de FSW l’autre aux opérations d’usinage.

[0064] Selon une autre caractéristique particulièrement avantageuse de l’invention, lé procédé est remarquable en ce que l’opération de soudage par friction malaxage dite FSW comprend les étapes suivantes :

[0065] - installation d’un outil de FSW avec épaulement et pion tournants dans l’empreinte de la broche,

[0066]- mise en rotation de l’outil de FSW selon son axe de rotation à une vitesse correspondante à celle nécessaire au procédé FSW,

[0067] - approche par mouvement en translation et avec asservissement en position sur l’axe parallèle à l'axe de rotation de l'outil FSW jusqu’au contact de l’épaulement de l'outil FSW avec la zone à souder,

[0068] - abandon dudit asservissement en position sur l’axe parallèle à l’axe de rotation de l’outil FSW,

[0069]- mesure et maintien de l’effort avec création d’un asservissement en effort sur l’axe parallèle à l’axe de rotation de l’outil FSW selon une consigne correspondante à celle nécessaire au procédé FSW, [0070] - mise en mouvement de l’outil FSW et/ou des pièces selon un ou plusieurs axes perpendiculaires à l'axe de rotation de l’outil FSW à des fins de réalisation de la soudure,

[0071] - fin de la soudure,

[0072] - abandon de l’asservissement en effort,

[0073] - retrait par mouvement en translation et avec asservissement en position sur l’axe parallèle à l’axe de rotation de l’outil FSW jusqu’à écartement complet de l’outil FSW par rapport à la zone soudée.

[0074] La surveillance de l’effort peut être réalisée aussi pour tes axes perpendiculaires mais il n’est pas possible d’obtenir alors un asservissement en effort car la bonne mise en œuvre du procédé requiert de conserver un asservissement en position sur ces axes pour pouvoir faire la trajectoire de soudure souhaitée.

[0075] Pour mettre en œuvre cette surveillance d’effort, selon une autre caractéristique particulièrement avantageuse de l’invention, où la machine-outil comprend un moyen de moduler la vitesse d’avance sur ses axes de mise en mouvement, le procédé comprend une opération de modulation de la vitesse de mouvement selon les axes de mouvement non soumis à l’asservissement en effort le procédé.

[0076] Plus spécifiquement, selon une autre caractéristique, le procédé consiste, durant la soudure, à moduler la vitesse de mouvement de l’outil de soudage par friction malaxage selon les axes perpendiculaires à l’axe de rotation de l’outil de soudage par friction malaxage pour réguler l’effort de soudure à une consigne d’effort de soudure programmée. Cette modulation a pour effet de réguler l’effort de soudure â une consigne d’effort de soudure programmée sur ces axes. Cette programmation assure un effort constant qui permet d’avoir des conditions de soudure stable et donc une bonne qualité de soudure (homogénéité, continuité, etc..). Cet effort constant a également pour but d’éviter de faire caler l’électrobroche ou de dépasser les efforts admissibles pour tes sous-ensembles participent à la mise en mouvement selon ces axes. Les axes sont ainsi protégés et leur durée de vie rallongée. [0077] L'apprentissage est rendu possible et une adaptation à des matériaux différents et à des épaisseurs différentes est également rendue possible.

[0078] Pour mettre en œuvre cette modulation, dans une machine-outil comprenant un moyen de mesure du courant consommé par les sous-ensembles de mise en mouvement selon les axes perpendiculaires à l'axe de rotation de l’outil de soudage par friction malaxage, le procédé consiste, lors de la soudure, à contrôler les efforts sur les axes de mouvement non soumis à l'asservissement en effort en mesurant le courant au niveau du contrôle de courant alimentant tes moyens de mise en mouvement afin de ne pas dépasser un courant correspondant à une consigne d’effort, On n'asservit donc pas sur ces axes perpendiculaires en effort directement (au contraire de l’accostage de butée), on conserve bien l’asservissement en position pour faire la trajectoire souhaitée, mais la vitesse est alors modulée afin de conserver un effort constant sur cet axe durant une phase où il n’est pas asservi en effort. On parle d’action synchrone car la vitesse d’avance de ces axes est modulée en fonction de la mesure de courant réalisé en même temps.

[0079] Il s’agit là aussi d’une fonctionnalité disponible dans la gestion des sous- ensembles d’une machine-outil d’usinage qui est mise au service du procédé de FSW. On utilise de façon originale la mesure de courant (qui existe déjà) en créant la fonction de maîtrise. Les machines-outils d’usinage disposent classiquement de plusieurs moyens de modulation de la vitesse d’avance des différents sous-ensembles. La demanderesse exploite judicieusement cette fonctionnalité pour une optimisation du procédé de FSW.

[0080] Cete modulation de la vitesse peut également être utilisée pour le mouvement en translation selon l’axe parallèle à l’axe de rotation de l’outil notamment dans les phases précédant la phase de soudure FSW elle-même.

[0081] Ainsi, selon une autre caractéristique particuliérement avantageuse de l’invention, l’opération d’approche par mouvement en translation et avec asservissement en position sur l’axe parallèle à l’axe de rotation de l’outil FSW jusqu’au contact de l’épaulement de l’outil avec la zone à souder comprend les opérations suivantes ; [0082] - pilotage de la vitesse d'avance de Faxe parallèle à l’axe de rotation de l’outil FSW jusqu au contact du pion de l’outil avec la zone à souder, puis

[0083]- modulation de la vitesse d’avance de l’axe parallèle à l’axe de rotation de l'outil FSW pour réguler l’effort de fusion à une consigne d’effort de fusion programmée jusqu’au contact de l’êpaulement de l’outil avec la zone â souder.

[0084] Le pilotage est réalisé selon une vitesse programmée alors que la modulation de la vitesse est une régulation de la vitesse tenant compte de la valeur mesurée du courant par une action synchronisée de mesure du courant.

[0085] Un tel procédé permet de réaliser une avance rapide et adaptée au matériau et à son épaisseur pour optimiser la durée des mouvements d’approche.

[0086] La demanderesse a en outre constaté que la gestion de la température de la zone de contact ou celtes des éléments constitutifs soumis aux contraintes supplémentaires constituait un des problèmes techniques à résoudre du fait de l’antagonisme de cette gestion selon le procédé mis en oeuvre. En effet, la montée en température est recherchée et nécessaire au niveau de la zone de contact outil/pièce pour une opération de FSW alors qu’elle est à éviter pour une opération d’usinage et ceci pour au moins deux raisons : la qualité d’usinage et la durée de vie des composants de la machine-outil (notamment la broche).

[0087] Selon une caractéristique particulièrement avantageuse de l'invention, ledit outil de soudage par friction malaxage permettant de mettre en œuvre les opérations de soudage par friction malaxage ci-dessus décrites et comprenant une première extrémité de soudage par friction malaxage avec un pion et un épaulement et une deuxième extrémité avec une interface mécanique, comprend un isolant thermique entre la première extrémité et l’interface. Une telle caractéristique permet une élévation en température de l'extrémité de l’outil plus rapide et évite de monter trop vite en température au niveau de la broche pour protéger ses moyens de guidage.

[0088] De façon plus précise, selon une autre caractéristique particulièrement avantageuse de l’invention, ledit outil est préformé d'une pluralité de disques séparés de diffusion de chaleur disposés entre la première extrémité et l’interface. [0089] Selon une autre caractéristique particulièrement avantageuse de l’invention, des inserts d’isolation thermique s'intercalent entre lesdits disques.

[0090] Ces premières caractéristiques constituent des solutions pour une isolation thermique mise en œuvre au niveau de l’outil de FSW.

[0091] En plus de l'outil, l’invention permet de répartir les fonctionnalités du procédé de soudage par friction malaxage dans deux organes de la machine-outil d’usinage :

[0092] Le sous-ensemble de guidage et d’entraînement en translation selon un axe parailèle à l’axe de rotation de l’outil et l’éleçtro-broche.

[0093] La broche de la machine-outil doit posséder les caractéristiques nécessaires au FSW en ce qui concerne notamment la reprise des efforts axiaux et radiaux, tout en conservant ses capacités d’usinage.

[0094] On comprend alors qu’il est possible de mettre en œuvre un procédé de FSW dans des machines-outils d’usinage existantes en :

[0095] — l'équipant d’un outil de FSW,

[0096] - changeant la programmation de la commande numérique gérant le sous ensemble de guidage et de mise en mouvement sur un axe parallèle à l’axe de rotation dudit outil pour créer un asservissement en effort,

[0097] - changeant I'electro-broohe (qui est un sous-ensemble qui se change régulièrement) pour une électro-broche capable de reprendre les efforts.

[0098] Les concepts fondamentaux de l’invention venant d’être exposés ci-dessus dans leur forme la plus élémentaire, d'autres détails et caractéristiques ressortiront plus clairement à la lecture de la description qui suit et en regard des dessins annexés, donnant à titre d’exemples non limitatifs, des modes de réalisation d’une machine-outil et/ou de ses sous-ensembles fonctionnels conformes à l’invention.

[0099] BREVE DESCRIPTION DES DESSINS

[0100] [Fig. 1] est un dessin schématique d’une vue partielle en perspective de dessus illustrant un premier mode de réalisation de machine-outil conforme à l’invention ; [0101] [Fig. 2] est un dessin schématique d’une vue partielle en perspective de dessus illustrant un autre mode de réalisation d’une première machine-outil conforme à l’invention ;

[0102] [Fig. 3] est un dessin schématique d'une vue extérieure de côté d'un mode de réalisation d’un ensemble formé par une électro-broche et un outil conformes à l’invention :

[0103] [Fig. 4] est un dessin schématique d’une vue extérieure d'un mode de réalisation d’un porte-outil conforme à l’invention ;

[0104] [Fig. 5] est un schéma illustrant un mode de réalisation de gestion des asservissements sur l’axe parallèle â l’axe de rotation de l’outil selon les temps de cycles d’un procédé de FSW conforme à l’invention ;

[0105] [Fig. 6] est un dessin schématique d’une vue partielle de côté en coupe illustrant les positions prises par l’outil de FSW par rapport â deux pièces à assembler ;

[0106] [Fig. 7] est un dessin schématique d’une vue partielle de face illustrant les positions prises par l’outil de FSW par rapport à deux pièces à assembler ;

[0107] [Fig. 8] est un dessin schématique d’une vue partielle de côté en coupe illustrant une des positions prises par l'outil de FSW par rapport aux deux pièces à assembler ;

[0108] [Fig. 9] est un schéma illustrant un mode de réalisation de gestion de la vitesse sur les axes perpendiculaires à l’axe de rotation de l’outil selon les temps de cycles d’un procédé de FSW conforme à l'invention ;

[0109] [Fig. 10] est un schéma illustrant un mode de réalisation de gestion des vitesses de translation sur l’axe parallèle à l’axe de rotation de l’outil selon les temps de cycles d’un procédé de FSW conforme à l'invention.

[0110] DESCRIPTION DE MODES PREFERES DE REALISATION

[0111] Comme illustré sur la figure 1 , la machine-outil référencée M dans son ensemble est équipée : - d'une électro-broche porte-outil 100 préformée d’une empreinte pour accueillir une pluralité d’outils à entraîner en rotation selon l'axe de la broche qui est ici parallèle à l’axe Z horizontal,

- d’un module porte-pièce(s) 200, - d’un sous-ensemble 210 de guidage et de mise en mouvement en translation parallèlement à l’axe Z du module porte-pièce 200 vers la broche 100 selon un axe parallèle à l’axe de la broche, d’un module de stockage d’outils 300,

- d’un module d’échange d’outils 400.

[0112] L’électro-broche 100 est disposée dans un fourreau qui est guidé et mis en mouvement en translation selon un plan vertical défini par les axes X et Y face au module porte-pièce 200 qui lui est mobile en translation perpendiculairement audit plan. Selon un mode de réalisation préféré, le module porte-pièce est mis en mouvement en translation au moyen de moteurs linéaires.

[0113] La machine-outil M comprend une commande numérique C mettant notamment en œuvre pour ledit sous-ensemble de guidage et de mise en mouvement 210, un asservissement en position ainsi qu’une fonctionnalité de maîtrise et de contrôle de l’effort lore d’un déplacement jusqu'à une butée fixe (fonction accostage butée).

[0114] La figure 3 illustre l’électro-broche 100 accueillant un mode de réalisation d’un outil de FSW 500 conforme à l’invention.

[0115] L’électro-broche 100 est dimensionnée de façon à être capable de supporter les efforts importants mis en œuvre lors de l’opération de FSW. Elle accueille et entraîne en rotation l’outil 500 parallèlement à l’axe Z. Par son extrémité arrière 110, elle se connecte à des modules d’alimentation électrique, de commande et éventuellement d’alimentation hydraulique

(0116] L'outil de soudage par friction malaxe 500 comprend deux parties:

[0117]- une première partie formant la première extrémité 510 avec un pion 511 et un épaulement 512, et [0118] ~ une deuxième partie ou porte-outil 520 formant la deuxième extrémité avec une interface mécanique 521 adaptée à ladite empreinte de l’électro-brache. Ces deux parties peuvent être séparées afin d’assurer la maintenance de l’outil et changer l'extrémité 510 susceptible de s’user.

[0119] Selon le mode de réalisation illustré par cete figure, ledit outil de soudage par friction malaxage 500 comprend un isolant thermique 530 entre la première extrémité 510 et l’interface 521. Plus précisément, l’isolant thermique 530 est constitué par une pluralité de disques 531 écartés à des fins de diffusion de la chaleur produite et donc de séparation entre l’éiectro-brache et la zone de soudure.

[0120] Comme illustré plus précisément sur la figure 4, le porte-outil 520 qui est formé par l'outil de soudage par friction malaxage 500 auquel la première extrémité 510 a été retirée, comprend un moyeu centrai fixé par vissage à l’interface 521 et préformé :

[0121] - en partie axiale interne, d’un évidement axial 540 pour accueillir la première extrémité 510 de l’outil 500 formée de Fépaulement et du pion (non illustrés),

[0122]- en partie périphérique externe, de projections radiales formant des disques 531 espacés et entre lesquels s’intercalent des inserts d'isolant thermique 532. A des fins de fixation par vis, les inserts isolants 532 sont traversés par des alésages s’alignant sur des alésages pratiqués dans les disques 531. Cet assemblage forme l'isolant thermique 530 entre la première extrémité 510 de l’outîl 500 et l’interface 521 .

[0123] Comme illustré, ledit outil 500 est équipé d’une interface mécanique 521 correspondant au standard HSK100 ce qui lui permet d’être géré comme un outil classique par le module de stockage d’outils 300 et par le module d’échanges d’outils 400.

[0124] Les inserts isolants sont choisis dans des matériaux de type aluminosilicate ou céramique frittée connus pour les capacités isolantes.

[0125] Ainsi, selon un mode de réalisation préféré mais non limitatif, le matériau des inserts isolants est sélectionné dans la liste suivante :

[0126] - isolant thermique comprenant 90% de de mica et de 10% de résine, [0127] - isolant thermique comprenant 55% de fiuorophlogcpite et 45% de borosilicate.

[012S] Les autres fonctions de la machine-outil d’usinage à commande numérique, comme te mécanisme de chargement des outiis dans la machine, le mécanisme de changement outils automatique, le magasin d'outils, la zone d'usinage fermée, le traitement de l’air de cette zone, etc... complètent cete machine M et en font un moyen industriel de fabrication de pièces nécessitant du FSW et de l’usinage.

[0129] La machine-outil M’ illustrée sur la figure 2 est elle aussi capable d’intégrer une fonctionnalité FSW conformément à l’invention. Bien que l’électro-broche 100’ soit positionnée et mise en mouvement à l’extrémité d’une structure articulée de type bras cette dernière est solidaire d’un chariot se déplaçant en translation selon l’axe X. Pour metre en œuvre l’invention, ladite structure articulée va orienter l’électro-broche 100’ comme illustrée c’est-à-dire de façon a ce que l’axe de rotation de l’électro-broche 100' et donc de l’outil de FSW qu’elle porte lors du procédé de FSW soit parallèle à l’axe X.

[0130] Selon un mode de réalisation préféré, la mise en mouvement dudit chariot est réalisée par moteurs linéaires.

[0131] Les figures 5 à 7 illustrent la mise en œuvre du procédé de l’invention sur les pièces circulaires PI et P2 qui doivent être soudées ensemble selon un cordon de soudure circulaire suivant le bord périphérique externe de la pièce P.

[0132] Le schéma de la figure 5 illustre les temps de cycle des étapes ou phases numérotées de 1 à 7 constituant l'opération de FSW proprement dite. Un usinage peut avoir eu lieu précédemment et doit avoir lieu après pour l'usinage de la bavure dite flash.

[0133] L’outil 500 ‘ comporte une première extrémité 510’ formée d'un pion 51 T et d'un épaulement 512’ tournants. Il est installé dans une électro-broche non illustrée sur ces figures.

[0134] L’outil de FSW 500’ est entraîné en rotation à une vitesse correspondante à celle nécessaire au procédé FSW.

[0135] De 1 à 2, la structure logique associée à l’électro-broche ou celle associée aux pièces P1 et P2 assure le rapprochement de l’outil et des pièces par mouvement en translation et avec asservissement en position sur l’axe parallèle à l’axe de rotation de l’outil FSW 500’ jusqu’au contact de Fépaulement 512’ de l’outil 500’ avec la zone à souder S.

[0136] A l'étape 3, le pion 51 T’ a pénétré dans la matière. Aux étapes 1 et 7, l’outil est écarté des pièces.

[0137] A partir de l’étape 2, l’asservissement en position sur cette translation est abandonné et remplacé par la mesure et le maintien de l’effort avec asservissement en effort selon une consigne correspondante à celle nécessaire au procédé FSW. Conformément à l'invention, cela est rendu possible grâce à la fonctionnalité de maîtrise et de contrôle de l’effort lors d’un déplacement jusqu’à une butée fixe à laquelle on a fixé une consigne correspondant à celle d’un effort de FSW et non celle correspondant à une contrainte de serrage ou à un contact avec une butée.

[0138] Les étapes 4, 5 et 6 voit la mise en mouvement de l’outil 500’ et/ou des pièces P1 et P2 à souder selon un ou plusieurs axes perpendiculaires à l’axe de rotation de l’outil FSW 500’ à des fins de réalisation de trajectoire circulaire de la soudure S.

[0139] L’étape 6 définit la fin de la soudure, la trajectoire circulaire ayant refait passer l’outil 500’ sur le début du cordon de soudure.

[0140] L’asservissement en effort est abandonné au point 6. Un mouvement de retrait, par mouvement en translation avec asservissement en position sur l’axe parallèle à l’axe de rotation de l’outil FSW jusqu’au écartement complet de l’outil FSW 500’ par rapport à la zone soudée S, finit le procédé à l’étape 7.

[0141] L'outil de FSW 500’peut alors être remplacé par un outil d’usinage pour usiner la bavure créée.

[0142] Ensuite, pour ce qui est des autres fonctions à assurer pour le FSW, notamment la reprise des efforts radiaux, la vitesse de rotation de l’outil ou la maîtrise de la température seront gérées par l’organe Broche (les efforts radiaux seront aussi repris par les axes de travail de la machine utilisée).

[0143] Les schémas des figures 9 et 10 illustrent la gestion des vitesses durant le procédé. [0144] La figure 9 montre la gestion de la vitesse sur tes axes perpendiculaires à l'axe de rotation de l’outil selon les temps de cycles d’un procédé de FSW conforme à l’invention où :

[0145]- lors des phases 1 à 2, la vitesse d’avance des axes perpendiculaires à l’axe de rotation de l’outil est pilotée par la commande numérique selon une trajectoire et une vitesse d’avance programmées ;

[0146] -lors des phases 3 à 6, la vitesse d’avance programmée des axes perpendiculaires à l’axe de rotation de l’outil est modulée pour réguler l’effort de soudure selon une consigne d’effort de soudure programmée ;

[0147]- lors des phases 6 à 7, la vitesse d’avance des axes perpendiculaires à l’axe de rotation de l’outil est de nouveau pilotée par la commande numérique selon une trajectoire et une vitesse d’avance programmée.

[0148] La figure 10 montre la gestion des vitesses de translation sur l’axe parallèle à l’axe de rotation de l’outil selon les temps de cycles d’un procédé de FSW où :

[0149] - lors des phases 1 à 2, la vitesse d’avance selon l’axe parallèle à l'axe de rotation de l’outil FSW est pilotée par le commande numérique jusqu'au contact du pion de l'outil avec la zone à souder selon une trajectoire et une vitesse programmée,

[0150J- lors des phases 2 à 3, la vitesse d’avance selon l’axe parallèle à l’axe de rotation de l’outil FSW est modulée pour réguler l’effort de fusion à une consigne d’effort de fusion programmée jusqu’au contact de î’épaulement de l’outil avec la zone à souder,

[0151]- lors des phases 3 à 7, étant donné que la trajectoire de soudure se situe dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation de l’outil, la vitesse de mouvement selon l’axe parallèle à l’axe de rotation de l’outil FSW est pilotée par la commande numérique jusqu’à la fin de la soudure et même lors du mouvement de retrait de l'outil.

[0152] On comprend que le dispositif qui vient d’être ci-dessus décrit et représenté, l’a été en vue d’une divulgation plutôt que d’une limitation. Bien entendu, divers aménagements, modifications et améliorations pourront être apportés aux exemples ci-dessus, sans pour autant sortir du cadre de l’invention.

Claims

Revendications

[Revendication 1] Machine-outil d’usinage (M) équipée

- d’une broche porte-outil (100) préformée d'une empreinte pour accueillir une pluralité d’outils à entraîner en rotation selon l’axe de la broche,

- d’un module porte-pièce(s) (200),

~ d'un sous-ensemble (210) de guidage et de mise en mouvement en translation de la broche vers le module porte-pièce et/ou du module porte- pièce vers la broche selon un axe paralleled l'axe de la broche (100),

- d'une commande numérique (C) mettant notamment en œuvre pour ledit sous-ensemble (210) de guidage et de mise en mouvement, un asservissement en position ainsi qu’une fonctionnalité de maîtrise et de contrôle de l’effort lors d’un déplacement jusqu'à une butée fixe,

CARACTERISEE PAR LE FAIT QU'elle accueille et entraîne en rotation un outil (500) de soudage par friction malaxage comprenant une première extrémité (510) de soudage par friction malaxage avec un pion (511) et un épaulement (512) et une deuxième extrémité (520) avec une interface mécanique (521) adaptée à ladite empreinte de la broche (100), l’entraînement en rotation entraînant en rotation le pion (511) et l’épaulement (512), l’effort nécessaire à la mise en œuvre d’un procédé de soudage par friction malaxage étant mesuré et maintenu à des fins de création d’un asservissement en effort lors du contact entre l'outil (500) et les pièces à assembler par la fonctionnalité de maîtrise et de contrôle de l’effort lors d’un déplacement jusqu’à une butée fixe.

[Revendication 2] Machine-outil (M) selon la revendication 1 , CARACTERISEE PAR LE FAIT QUE ledit sous-ensemble (210) de guidage et de mise en mouvement en translation de la broche (100) vers le module porte-pièce (200) et/ou du module porte-pièce (200) vers la broche (100) selon un axe parallèle à l’axe de la broche (100) comprend au moins un moteur linéaire.

[Revendication 3] Machine-outil (M) selon la revendication 1 , CARACTERISEE PAR LE FAIT QUE ladite empreinte est celle correspondant à la norme HSK100.

[Revendication 4] Procédé de travail d’une machine-outil d’usinage (M) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, CARACTERISE EN CE QU’il comprend les opérations suivantes:

-Opération de soudage par friction malaxage avec asservissement en effort sur l’axe parallèle à l’axe de rotation de l’outil (500), asservissement en effort créé par exploitation à cette fin de la fonctionnalité de maîtrise et de contrôle de l'effort lors d’un déplacement jusqu’à une butée fixe,

-Opération d’usinage avec asservissement en position sur taxe parallèle à l’axe de rotation de l’outil (500),

[Revendication 5] Procédé de travail d’une machine-outil d’usinage (M) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, CARACTERISE EN CE QUE l’opération de soudage par friction malaxage comprend les étapes suivantes :

- installation d’un outil de soudage par friction malaxage (500’) avec épaulement (512’) et pion (51 T) tournants dans l’empreinte de la broche (100'),

- mise en rotation de l’outil de soudage par friction malaxage (500’) selon son axe de rotation à une vitesse correspondante à celle nécessaire au procédé de soudage par friction malaxage,

- approche par mouvement en translation et avec asservissement en position sur l’axe parallèle à l’axe de rotation de l’outil de soudage par friction malaxage (500’) jusqu’au contact de l’épaulement (512’) de l’outil de soudage par friction malaxage (50Q’) avec la zone à souder,

- abandon dudit asservissement en position sur Taxe parallèle à l’axe de rotation de l’outil de soudage par friction malaxage (500'),

- mesure et maintien de l’effort avec création d’un asservissement en effort sur l’axe parallèle à l’axe de rotation de l’outil de soudage par friction malaxage (500’) selon une consigne correspondante à celle nécessaire au procédé de soudage par friction malaxage,

- mise en mouvement de l’outil de soudage par friction malaxage (500’) et/ou de la zone à souder selon un ou plusieurs axes perpendiculaires à faxe de rotation de l’outil de soudage par friction malaxage (500’) à des fins de réalisation de la soudure, - fin de la soudure,

- abandon de l’asservissement en effort,

~ retrait par mouvement en translation et avec asservissement en position sur l'axe parallèle à l’axe de rotation de l’outil de soudage par friction malaxage (500’) jusqu’à écartement complet de l’outil de soudage par friction malaxage (500’) par rapport à la zone soudée.

[Revendication 6] Procédé de travail selon la revendication 5 où la machine-outil comprend un moyen dé moduler la vitesse d’avance sur ses axes de mise en mouvement, CARACTERISE EN CE QU’il comprend une opération de modulation de la vitesse de mouvement selon les axes de mouvement non soumis à l’asservissement en effort.

[Revendication 7] Procédé de travail selon la revendication 6, CARACTERISE EN CE QU’il consiste, durant la soudure, à moduler la vitesse de mouvement de l’outil de soudage par friction malaxage (500’) selon lés axes perpendiculaires à l’axe de rotation de l’outil de soudage par friction malaxage (500') pour réguler l’effort de soudure à une consigne d’effort de soudure programmée.

[Revendication 8] Procédé de travail selon la revendication 6 où la machine-outil comprend un moyen de mesure du courant consommé par les sous»ensembles de mise en mouvement selon les axes perpendiculaires à l’axe de rotation de l’outil de soudage par friction malaxage (500’), CARACTERISE EN CE QU’il consiste, lors de la soudure, à contrôler les efforts sur les axes de mouvement non soumis à l’asservissement en effort en mesurant le courant au niveau du contrôle de courant alimentant les moyens de mise en mouvement afin de ne pas dépasser un courant correspondant à une consigne d’effort.

[Revendication 9] Procédé de travail selon la revendication 5 ou 6, CARACTERISE EN CE QU’il comprend une opération de pilotage de la vitesse de mouvement de l’outil de soudage par friction malaxage (500’) selon l’axe parallèle à l’axe de rotation de l'outil de soudage par friction malaxage (500’) en dehors de la réalisation de la soudure.

[Revendication 10] Procédé de travail selon fune quelconque des revendications 5 à 8, CARACTERISE EN CE QUE l’opération d’approche par mouvement en translation et avec asservissement en position sur l’axe parallèle à l’axe de rotation de l’outil de soudage par friction malaxage (500’) jusqu’au contact de l’épaulement (512) de l’outil de soudage par friction malaxage (500*) avec la zone à souder comprend les opérations suivantes :

- pilotage de la vitesse d’avance de l’axe parallèle à l’axe de rotation de l’outil de soudage par friction malaxage (500’) jusqu’au contact du pion (51 T) de l’outil de soudage par friction malaxage (500’) avec la zone à souder, puis

- modulation de la vitesse d’avance de l'axe parallèle à l’axe de rotation de l'outil de soudage par friction malaxage (500’) pour réguler l’effort de fusion à une consigne d’effort de fusion programmée jusqu’au contact de l’épaulement (512’) de l’outil soudage par friction malaxage (500’) avec la zone à souder.

[Revendication 11J Outil (500) de soudage par friction malaxage permettant de mettre en oeuvre les opérations de soudage par friction malaxage du procédé selon l'une quelconque des revendications 4 à 10 réalisées par la machine-outil selon l’une quelconque des revendications 1 à 3 et comprenant une première extrémité (510) de soudage par friction malaxage avec un pion (511) et un épautement (512) et une deuxième extrémité (520) avec une interface mécanique (521), CARACTERISE PAR LE FAIT QU’il comprend un isolant thermique (530) entre la première extrémité (510) et l’interface (521).

[Revendication 12] Outil (500) selon la revendication 11 , CARACTERISE PAR LE FAIT QU’il est préformé d’une pluralité de disques (531) séparés de diffusion de chaleur disposés entre la première extrémité (510) et l’interface (521).

[Revendication 13] Outil (500) selon la revendication 12, CARACTERISE PAR LE FAIT QUE des inserts d'isolation thermique (532) s’intercalent entre lesdits disques (531).