FR2804756A1

FR2804756A1 - Method and tool for determination, by the hole method, of residual constraints in a metal piece

Info

Publication number: FR2804756A1
Application number: FR0001422A
Authority: FR
Inventors: Claude Bignon; Nathalie Bouscharain; Michel Laracine; Pascal Vieugue
Original assignee: REDEX
Current assignee: REDEX
Priority date: 2000-02-04
Filing date: 2000-02-04
Publication date: 2001-08-10
Anticipated expiration: 2020-02-04
Also published as: FR2804756B1

Abstract

Method for determination of residual constraints in a metal piece (30) fitted on the surface of a deformation gauge (31). Has two phases, drill the material of the gauge in its center by means of a drill and bit , remove the cuttings and form a blind hole, coaxially to the drilled hole, by an electro-chemical machining tool (25,26). Prior to the electro-chemical machining a sealed edge (32) is placed around the gauge (31) so as to form an electrolyte bath. . The tool has: (a) a support with base (1) and perpendicular mast (5) supporting a longitudinal slide (6); a carriage (9) which moves in a slide (6); a plate mounted so that it slides on the carriage in a direction parallel to the slide (6); carriage controls (15); and clamping parts (16,19), fitted to the plate (13), which are adjustable in a plane perpendicular to the slide (6), to which can be fitted a screw, drill or electro-machining head The electro-machining head (25) has a hollow electrode (26) and a re-circulation tube (28,29) for an electrolyte.

Description

La présente invention concerne un procédé pour mesurer les contraintes résiduelles siégeant dans une pièce métallique par la méthode du trou simple ou par incréments. Elle concerne également un dispositif pour mettre en oeuvre le procédé. The present invention relates to a method for measuring residual stresses sitting in a metal part by the simple hole method or in increments. It also relates to a device for implementing the method.

La méthode du trou est une méthode bien connue pour mesurer les contraintes résiduelles existant au coeur d'une pièce métallique et ce en concurrence avec une analyse radiographique aux rayons X par exemple. The hole method is a well-known method for measuring the residual stresses existing in the core of a metal part and this in competition with X-ray analysis for example.

Cette méthode du trou consiste essentiellement coller sur une surface extérieure de cette pièce une jauge de déformation (rosette), à percer le support de la jauge de contrainte en son centre et à ménager sous cet orifice un trou borgne ou débouchant dans la pièce sous-jacente et coaxialement à l'orifice ménagé dans le support. Habituellement cette préparation est réalisée par usinage classique au moyen d'une perceuse, ce qui présente au moins deux inconvénients : le premier dans le fait que ce perçage engendre des contraintes supplémentaires dans la partie de la pièce usinée donc venant altérer les mesures de la jauge, le second tenant au fait que la pièce à mesurer est quelquefois de dureté au moins superficielle très importante et que l'usinage classique n'est pas simple réaliser. This method of the hole consists essentially of sticking on an outer surface of this piece a strain gauge (rosette), to pierce the support of the strain gauge at its center and to arrange a blind hole or opening in the sub-piece under this orifice. lying and coaxially to the orifice formed in the support. Usually this preparation is performed by conventional machining by means of a drill, which has at least two disadvantages: the first in that this drilling generates additional stresses in the part of the workpiece thus altering the measurements of the gauge , the second taking into account that the piece to be measured is sometimes of at least superficial hardness very important and that the conventional machining is not simple to achieve.

Pour pallier ces inconvénients l'invention a pour objet un procédé de détermination par la méthode du trou des contraintes résiduelles siégeant dans une pièce métallique équipée en surface d'une jauge de déformation, qui comprend les phases consistant à percer le matériau de la jauge en son centre au moyen d'un outil par enlèvement de copeaux et à réaliser un orifice dans la pièce coaxialement au perçage de la jauge au moyen d'un outil d'usinage électrochimique. To overcome these drawbacks, the subject of the invention is a process for determining, by the hole method, residual stresses sitting in a metal part equipped on the surface with a strain gauge, which comprises the phases of piercing the material of the dipstick. its center by means of a chip removal tool and to make a hole in the workpiece coaxially with the drilling of the gauge by means of an electrochemical machining tool.

Un tel usinage électrochimique est bien connu et consiste procéder à une dilution de la pièce qui constitue une anode par une cathode approchée cette anode entre lesquelles circule un électrolyte de préférence maintenu à température constante. L avantage d'un usinage est qu'il n'engendre aucune contrainte mécanique ni thermique dans la pièce qu'il fore. En outre l'électrode utilisée comme cathode est inusable et ce quelle soit la dureté du métal foré. Such electrochemical machining is well known and consists in diluting the part which constitutes an anode by an approximate cathode to this anode, between which circulates an electrolyte preferably kept at a constant temperature. The advantage of machining is that it does not generate any mechanical or thermal stress in the part that it drills. In addition, the electrode used as cathode is indestructible and whatever the hardness of the drilled metal.

Afin de confiner l'électrolyte, le procédé de l'invention consiste préalablement à 'usinage électrochimique à entourer la jauge d'une barrière associée de manière étanche à la surface de la pièce. In order to confine the electrolyte, the method of the invention is previously electrochemical machining to surround the gauge of a barrier associated sealingly on the surface of the workpiece.

L'invention a également pour objet un dispositif pour mettre en oeuvre le procédé ci-dessus qui comporte - un support comprenant une base et un mât perpendiculaire à la base portant un élément de glissière longitudinal, - un chariot monté à coulissement sur la glissière, - une platine montée à coulissement sur le chariot dans une direction parallèle à l'élément de glissière et - des moyens d'actionnement contrôlé du déplacement du chariot par rapport à la glissière et de la platine par rapport au chariot ; platine porte par ailleurs un moyen de bridage, réglable en position dans un plan perpendiculaire à l'élément de glissière, pour un organe de visée ou une perceuse mécanique ou une tête d'usinage électrochimique. The invention also relates to a device for implementing the above method which comprises - a support comprising a base and a mast perpendicular to the base carrying a longitudinal slide element, - a carriage slidably mounted on the slide, - A plate slidably mounted on the carriage in a direction parallel to the slide member and - controlled actuating means of the movement of the carriage relative to the slide and the plate relative to the carriage; platinum also carries a clamping means, adjustable in position in a plane perpendicular to the slide member, for a sighting device or a mechanical drill or an electrochemical machining head.

dispositif, portatif, peut être donc placé sur la surface de la pièce qui comporte la jauge de déformation et grâce a son architecture il est possible d'une part par le moyen de visée qu'il peut supporter, de mettre en référence par rapport au centre de la jauge de déformation collée sur la pièce, les moyens de bridage d'abord de la perceuse mécanique puis de la tête 'usinage électrochimique. Il s'agit d'un dispositif léger et facile à manipuler. Enfin, dans un mode de réalisation préferé, la tête d'usinage électrochimique comportera une électrode creuse et un tube de recirculation de l'électrolyte plongeant dans un système de confinement de l'électrolyte au voisinage des électrodes. I1 sera en outre avantageux de l'equiper d'un moyen de passe-câble pour les conducteurs liés à la jauge de déformation. device, portable, can be placed on the surface of the part that includes the strain gauge and thanks to its architecture it is possible on the one hand by the means of sight that can support, to refer to the center of the strain gauge glued on the workpiece, the first clamping means of the mechanical drill and the head 'electrochemical machining. It is a lightweight device and easy to handle. Finally, in a preferred embodiment, the electrochemical machining head will comprise a hollow electrode and an electrolyte recirculation tube immersed in a system for confining the electrolyte in the vicinity of the electrodes. It will also be advantageous to equip it with a cable gland means for the conductors connected to the strain gauge.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description donnée ci-après d'un exemple de réalisation du disposïtif selon l'invention, au moyen duquel on décrira en détail le procédé mis en oeuvre. Other features and advantages of the invention will emerge from the description given below of an exemplary embodiment of the device according to the invention, by means of which the method used will be described in detail.

I1 sera fait référence aux dessins annexés parmi lesquels - la figure 1 est une vue générale en élévation du support appartenant au dispositif selon l'invention, - la figure 2 est une vue de dessus de ce support, - la figue 3 illustre la première phase du procédé selon l'invention, à savoir la mise en reférence du dispositif par rapport à la jauge de déformation, - figure 4 illustre la seconde opération du procédé selon l'invention, à savoir le perçage de la résine, support et de la colle de jauge de déformation, - figure 5 illustre la dernière phase de l'invention à savoir la réalisation usinage électrochimique du trou dans la pièce pourvue de la jauge de déformation, pendant que s'opère l'acquisition des données de mesure. 1 is a general view in elevation of the support belonging to the device according to the invention; FIG. 2 is a view from above of this support; FIG. 3 illustrates the first phase; FIG. of the method according to the invention, namely the referral of the device relative to the strain gauge, - Figure 4 illustrates the second operation of the method according to the invention, namely the drilling of the resin, support and glue FIG. 5 illustrates the last phase of the invention, namely the electrochemical machining of the hole in the part provided with the strain gauge, while the acquisition of the measurement data takes place.

Le support représenté aux figures 1 et comporte une embase en forme générale de V dont les branches la et lb ainsi que la pointe 1c sont équipées de pieds , 3 et 4, pieds qui sont réglables en hauteur par rapport à la base 1 au moyen de vérins à vis et de molette de manoeuvre connus en eux-mêmes. D'autres mécanismes de piètement réglables ou non peuvent être mis en oeuvre tels que, par exemple, des ventouses magnétiques. The support shown in Figures 1 and comprises a generally V-shaped base whose branches and lb and 1c are equipped with feet, 3 and 4 feet which are adjustable in height relative to the base 1 by means of screw jacks and actuating wheel known in themselves. Other adjustable leg mechanisms or not can be implemented such as, for example, magnetic suction cups.

Cette base 1 porte sur sa face supérieure un mât vertical 5, par exemple une cornière en tôle pliée au voisinage de la pointe du V et qui est équipée d'une glissière 6 du côté du mât tourné vers l'intérieur du V. Cette glissière comporte sur sa face opposée au mât 5 une crémaillère 7 tandis que ses côtés forment des pistes de glissement 8 pour un chariot 9, le guidage du chariot 9 sur les pistes 8 étant assuré de manière connue par des organes à billes. This base 1 carries on its upper face a vertical mast 5, for example a sheet metal angle bent in the vicinity of the tip of the V and which is equipped with a slide 6 on the side of the mast turned towards the inside of the V. This slide has on its face opposite the mast 5 a rack 7 while its sides form sliding tracks 8 for a carriage 9, the guide of the carriage 9 on the tracks 8 being provided in a known manner by ball members.

Dans une variante non représentée de réalisation de l'invention, la glissière 6 sera attelée au mât 5 par un mécanisme autorisant un pivotement de celle-ci dans un plan vertical afin d'opérer sur une surface de pièce située non pas sous la base du dispositif mais sur le côté de celui- ci. Ce pivotement avec moyens de blocage pourrait permettre un perçage perpendiculaire à une surface de pièce qui ne serait pas horizontale. In a not shown embodiment of the invention, the slideway 6 will be coupled to the mast 5 by a mechanism allowing pivoting thereof in a vertical plane in order to operate on a part surface located not under the base of the device but on the side of it. This pivoting with locking means could allow drilling perpendicular to a part surface that is not horizontal.

Le chariot 9 porte à sa partie supérieure un arbre transversal 10 équipé d'une roue dentée 11, cet arbre pouvant tourner librement dans des paliers prévus à cet effet et portés par le chariot 9 pour que sa manoeuvre en rotation fasse engrener la roue 11 sur la crémaillère 7 et entraîne le déplacement du chariot le long de la glissière 6. I1 existe également, de manière connue, des moyens de blocage en position du chariot le long de la crémaillère qui ne sont pas représentés à ces figures. The carriage 9 carries at its upper part a transverse shaft 10 equipped with a toothed wheel 11, this shaft being able to rotate freely in bearings provided for this purpose and carried by the carriage 9 so that its rotational maneuvering engages the wheel 11 on the rack 7 and causes the movement of the carriage along the slide 6. There is also, in known manner, locking means in position of the carriage along the rack which are not shown in these figures.

La partie frontale du chariot opposé à la glissière (le chariot est formé de plusieurs pièces assemblées les unes aux autres) porte la référence 12 et constitue elle- même un guide au coulissement d'une platine 13, guide parallèle à la glissière 6. La platine 13 est attelée par une tige 14 à un vérin électrique 15 qui, grâce à un moteur pas à pas, permet une manoeuvre et un maintien en position très précis de la platine 13 par rapport à la glissière 12. La platine 13 est équipée à sa base, c'est-à-dire du côté de l'embase 1 d'une plaque horizontale 16 pourvue d' orifice de passage 17. La face supérieure de cette plaque horizontale comporte des moyens de guidage d'un manchon 19 de réception des divers outils qui seront décrits ci-après. Des vérins à vis 20 à bouton de manoeuvre moleté permettent de déplacer le manchon 19, dans certaines limites, dans le plan de la plaque 16. Le manchon 18 est ensuite fixé au moyen par exemple d'un écrou 21 qui le bloque en position par rapport à la plaque 16. The front portion of the carriage opposite to the slide (the carriage is formed of several parts assembled to each other) bears the reference 12 and is itself a guide to the sliding of a plate 13, a guide parallel to the slide 6. The platen 13 is coupled by a rod 14 to an electric cylinder 15 which, thanks to a stepper motor, allows a very precise operation and maintenance in position of the plate 13 relative to the slide 12. The plate 13 is equipped to its base, that is to say on the side of the base 1 of a horizontal plate 16 provided with a through hole 17. The upper face of this horizontal plate comprises means for guiding a receiving sleeve 19 various tools that will be described below. Screw jacks 20 with a knurled actuating knob make it possible to move the sleeve 19, within certain limits, in the plane of the plate 16. The sleeve 18 is then fixed by means of, for example, a nut 21 which locks it in position by report to plate 16.

Le support 1 de la figure 3 est posé sur la surface supérieure d'une pièce 30 équipée d'une jauge de déformation 31 adaptée à l'application de la méthode du trou. Le manchon 19 est équipé d'un organe de visée 22 qui par exemple est bloqué par un écrou 23. En manipulant les vérins 20, après avoir grossièrement aligné l'axe de l'orifice 17 avec le centre de la jauge 31, on procède au réglage de l'axe du manchon 19 qui coïncide avec l'axe de visée de l'appareil 22 par rapport au centre que l'on doit percer de la jauge 31. Le manchon 19 est alors immobilisé et on retire l'organe de visée 22 pour le remplacer (voir figure 4) par un organe de perçage mécanique 24 dont le forêt 24a est parfaitement dans l'axe du manchon 19 donc à l'aplomb de l'endroit de la jauge 31 à percer. Au moyen de la manoeuvre manuelle associée à l'axe 10 et la roue dentée 11 on fait descendre l'ensemble en direction de la jauge 31 et on procède au perçage de son centre c'est-à-dire de la matière qu'elle comporte (support, résine de revêtement et colle) comme on le ferait avec une perceuse sensitive. On arrête ce perçage mécanique au niveau de la surface de la pièce 30. The support 1 of FIG. 3 is placed on the upper surface of a part 30 equipped with a strain gauge 31 adapted to the application of the hole method. The sleeve 19 is equipped with a sighting member 22 which for example is blocked by a nut 23. By manipulating the jacks 20, after having roughly aligned the axis of the orifice 17 with the center of the gauge 31, the procedure is carried out at the adjustment of the axis of the sleeve 19 which coincides with the axis of view of the device 22 relative to the center which must be pierced by the gauge 31. The sleeve 19 is then immobilized and the member is removed. 22 referred to to replace (see Figure 4) by a mechanical piercing member 24 whose forest 24a is perfectly in the axis of the sleeve 19 so in line with the location of the gauge 31 to drill. By means of the manual operation associated with the axis 10 and the toothed wheel 11, the assembly is lowered down towards the gauge 31 and its center is pierced, that is to say of the material which it includes (support, coating resin and glue) as one would do with a sensitive drill. This mechanical drilling is stopped at the surface of the part 30.

On aura noté aux figures 3 et 4 la présence d'une sorte de bac 32 qui possède un fond percé pour laisser apparaître la jauge 31 et qui est collé de manière étanche sur la surface de la pièce 30. Ce bac 32 va constituer le moyen de confinement de l'électrolyte nécessaire à 'étape suivante du procédé, c'est-à-dire à l'usinage électrochimique de la pièce 30 au moyen de tête illustree à la figure 5. It will be noted in Figures 3 and 4 the presence of a kind of tray 32 which has a pierced bottom to reveal the gauge 31 and which is sealingly adhered to the surface of the workpiece 30. This tray 32 will be the means of confining the electrolyte necessary for the next step of the process, that is to say the electrochemical machining of the part 30 by means of the head illustrated in FIG.

A la figue 5 le support 1 est équipé aux ieu et place la perceuse 24 d'une tête 25 à l'extrémité de laquelle est rapportée une électrode (cathode) 26. Cette cathode formée par un tube creux en alliage métallique et l'espace intérieur de ce tube communiqué avec une canalisation 27 d'amenée de l'électrolyte. In FIG. 5, the support 1 is equipped in the middle and places the drill 24 with a head 25 at the end of which an electrode (cathode) 26 is attached. This cathode formed by a hollow metal alloy tube and the space inside this tube communicated with a pipe 27 for supplying the electrolyte.

La tête 25 est également équipée d'une canalisation 28 de recirculation de l'électrolyte qui plonge dans le bac 32 par son extrémité 29 voisine de l'électrode 26. The head 25 is also equipped with a pipe 28 for recirculating the electrolyte which is immersed in the tank 32 by its end 29 adjacent to the electrode 26.

Enfin, de manière préférée, la tête 25 comporte un passage 25a dans lequel des conducteurs 33 sont logés et arrivent à un connecteur 34. Ce connecteur 34 peut recevoir un connecteur 35 situé à l'extrémité des conducteurs 36 de la jauge de déformation 31. Finally, preferably, the head 25 has a passage 25a in which conductors 33 are housed and arrive at a connector 34. This connector 34 can receive a connector 35 located at the end of the conductors 36 of the strain gauge 31.

La phase suivante du procédé comporte, une fois la tête d'usinage électrochimique montée, l'approche rapide de l'électrode vers la pièce 30 au moyen d'abord de roue dentée 10 coopérant avec la crémaillère 7 puis au moyen de la commande du vérin électrique qui peut engendrer un mouvement précis compris entre 0,5 et 2 mm par minute. The next phase of the method comprises, once the electrochemical machining head has been mounted, the rapid approach of the electrode towards the workpiece 30 by means of first gear 10 cooperating with the rack 7 and then by means of the control of the electric cylinder that can generate a precise movement between 0.5 and 2 mm per minute.

Avant de mettre en fonctionnement l'usinage électrolytique, on connecte l'électrode 26 à une alimentation de très faible puissance et on descend cette électrode jusqu'à son contact avec la pièce. A ce moment le court-circuit produit fait chuter la tension, ce qui constitue un signal d'arrêt pour le vérin électrique 15. On remonte ensuite l'électrode d'une distance égale à celle nécessaire au travail électrochimique (quelques dixiemes de mm) et on établit la circulation de l'électrolyte depuis l'électrode 26 vers le bac 32 et son retour par tubes 28 et 29. On établit également une tension de travail entre l'électrode (cathode) et la surface de la pièce 30 (anode) l'aide d'un générateur à tension variable et on relie les fils de jauge 36 aux ponts de mesure qui permettent la mesure des déformations. Before operating the electrolytic machining, the electrode 26 is connected to a power supply of very low power and the electrode is lowered to its contact with the workpiece. At this point, the short circuit produced causes the voltage to drop, which constitutes a stop signal for the electric cylinder 15. The electrode is then moved back a distance equal to that required for the electrochemical work (a few tenths of a mm) and the circulation of the electrolyte from the electrode 26 to the tank 32 and its return by tubes 28 and 29 is established. A working voltage is also established between the electrode (cathode) and the surface of the part 30 (anode ) by means of a variable voltage generator and the gauge wires 36 are connected to the measuring bridges which make it possible to measure the deformations.

On procède ainsi à la réalisation d'un orifice de profondeur déterminée soit en continu soit par étapes de profondeurs également déterminées, tout en collectant les informations délivrées par la jauge de déformation puis, cette profondeur atteinte, on arrête le processus en coupant la tension, en interrompant l'injection de 'électrolyte au travers de l'électrode 26, et en vidant le bac par l'aspiration au travers des tubes 28 et Les valeurs des déformations obtenues grâce à la jauge ainsi que la connaissance de la profondeur du trou (finale et/ou à chaque étape d'usinage), de son diamètre et des caractéristiques du matériau (module de Young et coefficient de Poisson) permettent ensuite de calculer les contraintes résiduelles conformément à la méthode dite du trou (voire une évolution de ces contraintes depuis la surface jusqu'à une profondeur déterminée). I1 est également possible de modifier le diamètre d'usinage pour corréler les données acquises à d'autres paramètres. This leads to the creation of a determined depth orifice either continuously or in steps of depths also determined, while collecting the information delivered by the strain gauge then, this depth reached, the process is stopped by cutting off the voltage, by interrupting the injection of electrolyte through the electrode 26, and emptying the tray by suction through the tubes 28 and the values of the deformations obtained by the gauge and the knowledge of the depth of the hole ( final and / or at each machining step), its diameter and the characteristics of the material (Young's modulus and Poisson's ratio) then make it possible to calculate the residual stresses in accordance with the so-called hole method (or even an evolution of these constraints from the surface to a specific depth). It is also possible to modify the machining diameter to correlate the data acquired with other parameters.

On notera enfin à la figure 5 que la plaque 16 qui supporte le manchon 19 de maintien et de centrage de la buse 25, possède en partie inférieure une j souple 37 dont le périmètre correspond sensiblement au périmètre du bac 32 du moins de la partie supérieure de ses bords, afin de constituer une protection contre les éclaboussures et les projections de l'électrolyte lors du fonctionnement.Finally, it should be noted in FIG. 5 that the plate 16 which supports the sleeve 19 for holding and centering the nozzle 25, has a flexible part 37 at the bottom, whose perimeter substantially corresponds to the perimeter of the tray 32 at least from the upper part. of its edges, to provide protection against splashing and splashing of the electrolyte during operation.

Cette jupe 37 est fixée de manière amovible sous la plaque 16 et uniquement lors de la phase d'usinage électrochimique. This skirt 37 is fixed detachably under the plate 16 and only during the electrochemical machining phase.

Claims

<U> CLAIMS </ U> Method for determining the residual stresses by the method of the hole sitting in a metal part (30) equipped on the surface of a strain gauge (31), characterized in that it comprises phases comprising piercing the gauge material (31) at its center by means of a chip removing tool (24, 24a) to make a blind hole in the workpiece coaxially with the bore of the gauge (3 by means of a tool (, Electrochemical machining method 2. The method as claimed in claim 1, characterized in that at least prior to the electrochemical machining, the gauge (31) is surrounded by a flange (2) sealingly associated with the surface of the piece) to confine an electrolyte bath. 3. Device for implementing the method according to one of the preceding claims characterized in that it comprises - a support comprising a base (1) and a mast (5) perpendicular to the base, carrying a slide element (6). ) longitudinal, - a carriage (9) slidably mounted on the slide (6), - a plate (13) slidably mounted on the carriage (9) in a direction parallel to the slide element (6) and - means (10, 15) for controlled actuation of the movement of the carriage (9) relative to the slide element (6) and the plate (13) relative to the carriage (9); and in that the plate (13) carries a means (16, 19) of clamping, adjustable in position in a plane perpendicular to the slide element (6), a sighting member (22) or a mechanical drill (24) or an electrochemical machining head (25). 4. Device according to claim 3, characterized in that the base (1) of the support is V-shaped equipped with three feet (2, 3, 4) adjustable. Device according to claim 3 or claim 4, characterized in that the electrochemical machining head (25) comprises a hollow electrode (26) and a recirculation tube (29, 28) of an electrolyte immersed in the bath. 6. Device according to claim 5, characterized in that the head (25) of electrochemical machining comprises a cable gland means (25a) for the conductors (3 connected to the gauge (31) 7. Device according to claim 5 or claim 6, characterized in that the plate (13, 16) is equipped with a removable flexible skirt (37) surmounting the barrier (31) for confining the electrolyte bath.