FR2978932A1

FR2978932A1 - Machine d'usinage

Info

Publication number: FR2978932A1
Application number: FR1157241A
Authority: FR
Inventors: Damien Hebuterne; Christophe Grosbois; Mickael Rancic
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2011-08-08
Filing date: 2011-08-08
Publication date: 2013-02-15
Anticipated expiration: 2031-08-08
Also published as: FR2978932B1

Abstract

L'invention concerne une machine d'usinage (1) comprenant un outil de coupe (20). Cet outil de coupe (20) est muni en son intérieur d'un thermocouple (30), et la machine d'usinage (1) comprend en outre une unité de commande (10) qui permet le réglage des paramètres d'usinage et qui est reliée à ce thermocouple (30), ce par quoi il est possible de modifier les paramètres d'usinage en fonction des données reçues du thermocouple (30) pendant une opération d'usinage d'une pièce (90).

Description

La présente invention concerne une machine d'usinage, plus précisément une machine d'usinage comprenant un outil de coupe. Une telle machine d'usinage est par exemple une machine de perçage avec un foret, qui est utilisée pour percer des trous dans des pièces. La machine d'usinage mettant le foret en rotation à haute vitesse autour de son axe longitudinal de telle sorte que le foret est apte à pénétrer une pièce. Le foret présente ainsi des arêtes coupantes afin de couper la matière de la pièce dans laquelle il pénètre. Au fur et à mesure de son utilisation, il se produit une usure des arêtes coupantes du foret par frottement. Il est alors nécessaire d'affuter ces arêtes, ou de remplacer ce foret par un foret neuf. Il est difficile cependant d'évaluer cette usure, cette évaluation devant typiquement être effectuée par des moyens optiques tel qu'un microscope. De plus, un même foret peut être utilisé pour percer l'un à la suite de l'autre des matériaux distincts présentant des propriétés thermomécaniques (par exemple des duretés) différentes. Le foret ne s'use donc pas de façon linéaire en fonction de sa durée totale d'utilisation. En pratique, un foret continuera souvent à être utilisé alors que ses 20 arêtes sont émoussées, ce qui conduit à un endommagement du foret ainsi que de la pièce percée. La présente invention vise à remédier à ces inconvénients. L'invention vise à proposer une machine d'usinage qui permette de contrôler précisément l'usure (le taux d'usure) de l'outil de coupe afin de 25 le remplacer si nécessaire, et d'usiner une pièce en respectant des contraintes dimensionnelles, géométriques et d'intégrité matière de cette pièce. Ce but est atteint grâce au fait que l'outil de coupe est muni en son intérieur d'un thermocouple, et en ce que la machine d'usinage comprend 30 en outre une unité de commande qui permet le réglage des paramètres d'usinage et qui est reliée à ce thermocouple, ce par quoi il est possible de modifier les paramètres d'usinage en fonction des données reçues de ce thermocouple pendant une opération d'usinage d'une pièce. Grâce à ces dispositions, les paramètres d'usinage peuvent être 35 modifiés en temps réel pour maintenir la température à l'extrémité de l'outil de coupe en dessous d'une température seuil, ce qui permet de

limiter l'usure de l'outil de coupe et/ou de détecter quand l'outil de coupe est trop usé. De plus, il est possible d'adapter aisément les paramètres de l'usinage en fonction du matériau constituant la pièce à usiner. En particulier, dans le cas de l'usinage d'une pièce constituée de deux couches de matériaux distincts, il est possible de modifier en temps réel les paramètres de l'usinage au moment du passage de l'interface entre ces deux couches par l'outil de coupe. Avantageusement, la machine d'usinage comprend en outre un capteur d'efforts fournis par l'outil de coupe, l'unité de commande étant reliée à ce capteur d'efforts, ce par quoi il est possible de modifier les paramètres d'usinage en fonction des données reçues de ce capteur d'efforts pendant une opération d'usinage d'une pièce. Ainsi, il est possible de contrôler plus précisément les paramètres d'usinage utilisés pour l'usinage par le foret d'un matériau donné.

L'invention concerne également un procédé de d'usinage d'une pièce constitué d'au moins une première couche et une deuxième couche, le matériau de la première couche et le matériau de la deuxième couche possédant des caractéristiques thermomécaniques différentes. Selon l'invention, cet usinage est effectué au moyen d'une machine d'usinage comprenant un outil de coupe muni en son intérieur d'un thermocouple, et cet usinage comporte les étapes suivantes : (a) On usine la première couche au moyen de cet outil de coupe jusqu'à atteindre l'interface entre la première couche et commencer à usiner la deuxième couche, tout en mesurant les données reçues du thermocouple, (b) Après que l'outil de coupe (20) commence à usiner la deuxième couche, on ajuste les paramètres d'usinage en fonction de la différence de température mesurée par le thermocouple pendant l'usinage de la première couche et pendant l'usinage de la deuxième couche, de façon à minimiser l'usure de cet outil de coupe. Avantageusement, la machine d'usinage comprend en outre un capteur d'efforts fournis par l'outil de coupe, et, à l'étape (a), on mesure les données reçues du capteur d'efforts, et, à l'étape (b), on ajuste les paramètres d'usinage en fonction de la différence de force mesurée par le capteur d'efforts pendant l'usinage de la première couche et pendant l'usinage de la deuxième couche.

L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux, à la lecture de la description détaillée qui suit, d'un mode de réalisation représenté à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins annexés sur lesquels : la figure 1 est une vue d'ensemble d'une machine de perçage selon l'invention, la figure 2 est une vue longitudinale du foret d'une machine de perçage selon l'invention, la figure 3 est une coupe transversale du foret de la figure 2 selon la ligne III-III, la figure 4 est une vue en perspective d'une machine de perçage selon l'invention et d'une pièce bicouches percée par cette machine, la figure 5 illustre schématiquement une courbe de variation de température mesurée par le thermocouple d'une machine de perçage selon l'invention lors du perçage d'une pièce bicouche. L'invention est décrite ci-dessous dans le cas d'une machine d'usinage 1 comprenant un foret 20 et servant au perçage de pièces. Cependant l'invention concerne n'importe quelle machine d'usinage par enlèvement de matière, par exemple un tour, ou une brocheuse. Dans ces cas l'outil de coupe est respectivement une plaquette ou un outil monobloc, ou une broche. La figure 1 montre une machine d'usinage 1 selon l'invention, dans le cas où cette machine est une machine de perçage.

La machine de perçage 1 comprend un bâti 2, une unité de commande 10 qui est par exemple montée sur le bâti 2, un porte-outil 3, un moteur 5, et un foret 20 qui est porté par le porte-outil 3. Le moteur 5 est commandé par l'unité de commande 10 et est apte à faire tourner le porte-outil 3 et le foret 20 autour d'un axe longitudinal A, et à translater le porte-outil 3 et le foret 20 selon la direction de cet axe longitudinal A. Le foret 20 s'étend selon cet axe longitudinal A entre une extrémité proximale 21 qui est solidarisé dans un système de positionnement et de bridage du foret 20 (par exemple des mâchoires) dans le porte-outil 3, et une extrémité distale 22 qui est destinée à entrer en contact avec une pièce 90 à usiner.

Comme représenté en figure 2 en vue longitudinale selon l'axe longitudinal A, le foret 20 est percé d'un trou 25 qui s'étend presque jusqu'à son extrémité distale 22, et qui reçoit un thermocouple 30. Ainsi le thermocouple 30 est situé à l'intérieur du foret 20, dans la masse du foret 20, idéalement au fond du trou 25 à proximité de l'extrémité distale 22. Le thermocouple 30 est relié à l'unité de commande 10 de telle sorte que cette unité de commande 10 est apte à recevoir les données thermiques provenant du thermocouple 30. La figure 3 est une section transversale du foret 20 dans un plan perpendiculaire à l'axe longitudinal A, qui montre le thermocouple 30 dans le trou 25. L'unité de commande 10 comprend une unité centrale 15 qui est apte à interpréter les données thermiques provenant du thermocouple 30, et à envoyer des signaux au moteur 5 et au porte-outil 3 en fonction de la valeur de ces données thermiques. Ces données thermiques sont transformées en un voltage, et la réception et l'interprétation d'un voltage par une unité centrale 15 s'effectue de façon connue. L'envoi de signaux au moteur 5 et au porte-outil 3 par l'unité centrale 15 s'effectue également selon des procédés connus, qui ne sont donc pas décrits ici.

Ainsi, l'unité de commande 10 est apte à modifier les paramètres d'usinage en fonction de la valeur de ces données thermiques. Ces paramètres d'usinage comprennent la vitesse de coupe et l'avance pilotant la vitesse de rotation du foret 20 et la vitesse de pénétration du foret 20 (cette vitesse de pénétration est la vitesse de translation du foret 20 selon l'axe longitudinal A en direction de la pièce 90). Par exemple, si la température T à l'extrémité distale 22 du foret 20 devient supérieure à une valeur seuil T5, alors l'unité de commande 10 réduit la vitesse de rotation du foret 20 et/ou la vitesse de pénétration du foret 20 dans la pièce 90. La valeur seuil TS est par exemple choisie comme étant une température en dessous de laquelle le taux d'usure du foret 20 est inférieur à une valeur seuil, ou une température en dessous de laquelle il ne se produit pas de transformation métallurgique au sein du foret 20. En effet, lorsque le foret 20 devient de plus en plus usé, le perçage devient plus difficile, et en conséquence la température du foret 20 augmente en

comparaison à un perçage avec un foret 20 affuté, les autres paramètres du perçage étant identiques (la vitesse de rotation du foret 20 et la vitesse de pénétration du foret 20). Le dépassement de la température seuil Ts sera alors l'indication qu'il est nécessaire de remplacer le foret 20. Avantageusement, la machine de perçage 1 comprend en outre un capteur d'efforts 40. Ce capteur d'efforts 40 mesure, de façon connue, la force (l'effort) s'exerçant entre le foret 20 et la pièce 90 durant le perçage de celle-ci. Ce capteur d'efforts 40 est positionné par exemple à proximité de l'outil de coupe, en particulier il peut être situé dans le porte-outil 3 Les efforts augmentent avec l'usure du foret 20. Les données provenant du capteur d'efforts 40 peuvent donc être utilisées conjointement avec les données provenant du thermocouple 30 afin de surveiller plus précisément l'état du foret 20 et l'évolution du perçage de façon à modifier les paramètres de perçage si nécessaire. Par exemple, les paramètres de perçage peuvent être modifiés si la force F fournie par le capteur d'effort devient supérieure à un seuil FS, car cela est par exemple l'indication d'une usure du foret 20. Comme décrit ci-dessus, l'unité de commande 10 est apte à modifier les paramètres d'usinage de façon automatique. Avantageusement, la machine de perçage 1 comprend en outre un ordinateur 50 qui est relié à l'unité de commande 10. Cet ordinateur 50 sert d'interface entre l'unité de commande 10 et l'utilisateur pour permettre à ce dernier de piloter manuellement l'unité de commande 10.

Ainsi, l'unité de commande 10 affiche sur l'écran de l'ordinateur 50 les données thermiques qu'elle reçoit du thermocouple 30, et les mesures d'efforts qu'elle reçoit du capteur d'efforts 40, et l'utilisateur peut ainsi à l'aide du clavier de cet ordinateur 50 modifier les paramètres d'usinage. Alternativement, la machine de perçage 1 comprend, en place de cet ordinateur 50, un panneau de commande qui sert d'interface avec l'utilisateur de cette machine de perçage 1. Ainsi, dans les deux cas ci-dessus, l'unité de commande 10 est apte à recevoir des instructions d'un utilisateur pour modifier les paramètres d'usinage.

Une autre application de la présente invention est pour le suivi d'endommagements générés dans la pièce 90 par le perçage. En effet,

pour un matériau donné, le perçage est susceptible d'engendrer localement des contraintes mécaniques supérieures à la moyenne des contraintes lors de ce perçage. Il se produit alors une augmentation de la température dans le foret 20 et/ou une augmentation de l'effort de perçage. Grâce à la machine d'usinage selon l'invention, il est possible de corréler l'avènement de ces endommagements avec les paramètres d'usinage, et donc d'effectuer les futurs perçages dans un tel matériau avec des paramètres d'usinages différents (par exemple une vitesse de coupe et/ou une avance du foret 20 moindres). Avantageusement, le foret 20 comporte également un ou plusieurs trous 28 qui sont percés depuis son extrémité proximale 21 jusqu'à éventuellement son extrémité distale 22, et qui sont dédiés au passage de fluide d'arrosage (notamment pour la lubrification lors du perçage).

Une application avantageuse d'une machine d'usinage 1 selon l'invention est dans le perçage, ou plus généralement l'usinage d'une pièce 90 constituée de plusieurs couches de matériaux dont les propriétés mécaniques, en particulier la dureté, sont différentes. On décrit ci-dessous le cas du perçage d'une pièce 90 constituée de deux couches distinctes. Comme représenté sur la figure 4, la pièce 90 est constituée d'une première couche 91 en un premier matériau, et d'une deuxième couche 92 en un second matériau distinct du premier matériau. Ces deux couches sont en contact au niveau d'une interface 95.

Par exemple le premier matériau est un alliage de titane, par exemple de type TA6V, et le second matériau est un composite à matrice céramique ou organique. On commence ainsi à percer la première couche 91 avec le foret 20 de la machine d'usinage selon l'invention.

Tandis que le foret 20 progresse en profondeur au sein de la première couche 91, les données transmises par le thermocouple 30, et le cas échéant les données transmises par le capteur d'efforts 40, sont réceptionnées et traitées par l'unité de commande 10. Les variations dans ces données restent faibles car le matériau de la première couche 91 est homogène à l'échelle du diamètre du foret 20, c'est-à-dire que les variations éventuelles dans les propriétés mécaniques

(et notamment la dureté) de ce matériau s'effectuent sur des distances au moins cent fois plus faibles que le diamètre du foret 20. Par conséquent ces propriétés peuvent être moyennées sur une distance égale au diamètre du foret 20. Ces propriétés sont donc sensiblement constantes à l'échelle du diamètre du foret 20, ce qui entraine que les données transmises par le thermocouple 30, et le cas échéant par le capteur d'efforts 40 soient sensiblement constantes. De même, le matériau de la deuxième couche 92 est homogène à l'échelle du diamètre du foret 20.

Au passage de l'interface 95, le foret entame la deuxième couche 92. Il se produit alors une élévation ou une diminutinon de température mesurée par le thermocouple 30, et d'amplitude de la force mesurée par le capteur d'efforts 40. Ces variations sont dues à la différence de propriétés mécaniques entre le matériau de la première couche 91 et le matériau de la deuxième couche 92. Cette variation de température est illustrée en figure 5, où le trait vertical I désigne l'interface entre la première couche 91 située à gauche de ce trait I et la deuxième couche 92 située à droite de ce trait I. L'axe des ordonnées indique la température T mesurée par le thermocouple 30. Les inventeurs ont constaté que dans le cas d'une pièce bicouche titane/composite ci-dessus, la différence de température est d'environ 600°C. Le saut de température dans le foret 20 au passage de l'interface 95 est ainsi mesuré (ainsi que le saut de force si un capteur d'efforts est présent), et est une indication que le foret entame la deuxième couche 92. Les paramètres d'usinage peuvent alors être ajustés (modifiés). Cet ajustement peut être effectué manuellement (par exemple au moyen d'un ordinateur 50 ou d'un panneau de commande relié à l'unité de commande 10) par un opérateur qui surveille l'évolution de la température (et éventuellement de la force) et qui enverra des signaux au moteur 5 et au porte-outil 3 par l'intermédiaire de l'unité de commande 10. Cet ajustement peut également être effectué automatiquement au moyen d'un programme qui détecte le saut de température dans les températures mesurées par le thermocouple 30 (ainsi que le saut de force

si un capteur d'efforts est présent) au passage de l'interface 95 par le foret 20. Cet ajustement des paramètres d'usinage est effectué pendant que le foret 20 usine la deuxième couche 92.

Avantageusement, cet ajustement des paramètres d'usinage est effectué dès que le foret 20 commence à usiner la deuxième couche 92. Dans le cas d'une pièce bicouche titane/composite ci-dessus, on diminuera par exemple la vitesse de coupe et/ou l'avance du foret 20. Ainsi, grâce au procédé selon l'invention, on détecte le passage des interfaces entre plusieurs matériaux distincts lors du perçage ou plus généralement de l'usinage d'une pièce constituée de tels matériaux. On optimise donc l'usinage de telles pièces, et on augmente la durée de vie du foret ou de l'outil de coupe tout en respectant l'intégrité matière de la pièce 90.15

Claims

REVENDICATIONS1. Machine d'usinage (1) comprenant un outil de coupe (20) caractérisée en ce que ledit outil de coupe (20) est muni en son intérieur d'un thermocouple (30), et en ce que ladite machine d'usinage (1) comprend en outre une unité de commande (10) qui permet le réglage des paramètres d'usinage et qui est reliée audit thermocouple (30), ce par quoi il est possible de modifier les paramètres d'usinage en fonction des données reçues dudit thermocouple (30) pendant une opération d'usinage d'une pièce (90).
2. Machine d'usinage (1) selon la revendication 1 caractérisée en ce que ladite unité de commande (10) est apte à modifier les paramètres d'usinage de façon automatique.
3. Machine d'usinage (1) selon la revendication 1 ou 2 caractérisée en ce que ladite unité de commande (10) est apte à recevoir des instructions d'un utilisateur pour modifier les paramètres d'usinage.
4. Machine d'usinage (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisée en ce que les paramètres d'usinage comprennent la vitesse de coupe et l'avance pilotant la vitesse de rotation dudit outil de coupe (20), et la vitesse de pénétration dudit outil de coupe (20)
5. Machine d'usinage (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un capteur d'efforts (40) fournis par ledit outil de coupe (20), ladite unité de commande (10) étant reliée audit capteur d'efforts (40), ce par quoi il est possible de modifier les paramètres d'usinage en fonction des données reçues dudit capteur d'efforts (40) pendant une opération d'usinage d'une pièce (90).
6. Machine d'usinage (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisée en ce qu'elle est une machine de perçage et en ce que ledit outil de coupe (20) est un foret.
7. Procédé d'usinage d'une pièce (90) constitué d'au moins une première couche (91) et une deuxième couche (92), le matériau de ladite première couche (91) et le matériau de ladite deuxième couche (92) possédant des caractéristiques thermomécaniques différentes, ce procédé étant caractérisé en ce que cet usinage est effectué au moyen d'unemachine d'usinage (1) comprenant un outil de coupe (20) muni en son intérieur d'un thermocouple (30), et en ce qu'il comporte les étapes suivantes : (a) On usine la première couche (91) au moyen dudit outil de coupe (20) jusqu'à atteindre l'interface (95) entre ladite première couche (91) et commencer à usiner ladite deuxième couche (92), tout en mesurant les données reçues dudit thermocouple (30), (b) Après que ledit outil de coupe (20) commence à usiner ladite deuxième couche (92), on ajuste les paramètres d'usinage en fonction de la différence de température mesurée par ledit thermocouple (30) pendant l'usinage de ladite première couche (91) et pendant l'usinage de ladite deuxième couche (92), de façon à minimiser l'usure dudit outil de coupe (30).
8. Procédé d'usinage selon la revendication 7 caractérisé en ce qu'on ajuste les paramètres d'usinage dès que ledit outil de coupe (20) commence à usiner la deuxième couche (92).
9. Procédé d'usinage selon la revendication 7 ou 8 caractérisé en ce que ladite machine d'usinage (1) comprend en outre un capteur d'efforts (40) fournis par ledit outil de coupe (20), en ce que, à l'étape (a), on mesure les données reçues dudit capteur d'efforts (40, et en ce que, à l'étape (b), on ajuste les paramètres d'usinage en fonction de la différence de force mesurée par ledit capteur d'efforts (40) pendant l'usinage de ladite première couche (91) et pendant l'usinage de ladite deuxième couche (92).