FR3009752B1 - Banc d'essai a sollicitation uniaxiale et procede d'essai mis en oeuvre avec ce banc - Google Patents

Banc d'essai a sollicitation uniaxiale et procede d'essai mis en oeuvre avec ce banc Download PDF

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Abstract

L'invention propose un banc d'essai (1) mécanique à sollicitation uniaxiale pour la caractérisation d'une éprouvette par la mise en œuvre sur ladite éprouvette d'essais en traction ou en compression, comportant - un système d'usinage (10) qui comprend un bâti (11) et un organe de montage d'outil (12) mobile en translation par rapport au bâti, un moteur (13) adapté pour entrainer l'organe de montage d'outil en translation, et une unité de commande (17), adaptée pour commander l'organe de montage d'outil en translation, - un mors fixe (15) monté solidaire du bâti (11), et un mors mobile (16) monté solidaire de l'organe de montage d'outil (12), les mors étant adaptés pour être fixés à des extrémités d'une éprouvette (30) de sorte qu'une translation de l'organe de montage d'outil (12) par rapport au bâti génère une traction ou une compression de l'éprouvette. L'invention concerne également un procédé d'essai mis en œuvre avec ce banc.

Description

DOMAINE DE L’INVENTION L’invention concerne les procédés et bancs d’essais mécaniques uniaxiaux, en traction ou en compression, réalisés sur des éprouvettes afin de caractériser celles-ci.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Les essais mécaniques uniaxiaux sont réalisés sur des éprouvettes pour étudier les caractéristiques mécaniques d’un matériau et/ou le comportement d’un matériau sous l’effet de sollicitations uniaxiales, c’est-à-dire en traction et/ou compression selon un axe.
Les résultats obtenus se présentent généralement sous la forme d’une courbe de contraintes (correspondant aux efforts appliqués sur l’éprouvette) en fonction de la déformation de l’éprouvette, σ=ί(ε).
Ces essais sont mis en oeuvre par des machines de traction/compression dédiées et régulièrement étalonnées, qui doivent être manipulées par des opérateurs habilités afin que les résultats des essais soient validés.
Ces contraintes rendent difficile l’accès à ce type d’essais par voie de sous-traitance car les nombreuses demandes d’essais peuvent générer de longs délais d’attente. L’acquisition de telles machines pour la réalisation de ce type d’essai par des moyens internes est également coûteuse, ce qui limite les possibilités d’internalisation de tels essais.
En outre, dans certains cas la précision obtenue par ces machines dédiées est trop importante par rapport aux informations recherchées sur le matériau, et une valeur approchée suffirait à fournir ces informations. Or, dans ces cas simplifiés il est pourtant actuellement nécessaire de réaliser les essais de la même manière, sur les mêmes machines que dans les cas requérant une grande précision.
Il existe donc un besoin pour proposer une alternative de machine permettant la réalisation d’essais uniaxiaux.
PRESENTATION DE L’INVENTION
Un but de l’invention est de proposer une alternative de banc d’essai qui permette la réalisation d’essais mécaniques uniaxiaux.
Un autre but de l’invention est de proposer un banc d’essai peu onéreux. A cet égard, l’invention a pour objet un banc d’essai mécanique à sollicitation uniaxiale pour la caractérisation d’une éprouvette par la mise en œuvre sur ladite éprouvette d’essais en traction ou en compression, ledit banc d'essai comprenant : un système d’usinage qui comprend : o un bâti et un organe de montage d'outil, mobile en translation par rapport au bâti, o un moteur adapté pour entraîner l’organe de montage d'outil en translation, et o une unité de commande, adaptée pour commander l’organe de montage d'outil en translation, un mors fixe monté solidaire du bâti, et un mors mobile monté solidaire de l’organe de montage d'outil, les mors étant adaptés pour être fixés à des extrémités d’une éprouvette de sorte qu’une translation de l’organe de montage d'outil par rapport au bâti génère une traction ou une compression de l’éprouvette.
Avantageusement, mais facultativement, le banc d'essai comporte en outre au moins l’une des caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible : - l’unité de commande est en outre adaptée pour mesurer une position et une vitesse de déplacement de l’organe de montage d'outil, et une puissance instantanée consommée par le moteur lors du déplacement dudit organe de montage d'outil; - l’unité de commande est en outre adaptée pour déterminer, en fonction des données mesurées, un effort axial appliqué à une éprouvette lors d’un essai en traction ou en compression; - le moteur est un moteur linéaire ou un moteur rotatif. L’invention a également pour objet un procédé d’essai mécanique à sollicitation uniaxiale, comprenant la soumission d’une éprouvette à des efforts uniaxiaux en traction ou en compression, mis en œuvre avec un tel banc d’essai.
De préférence, le procédé comprend les étapes consistant à : fixer une éprouvette à un mors fixe et à un mors mobile du banc d’essai, commander une translation de l’organe de montage d'outil solidaire du mors mobile, et, mesurer, au cours de ladite translation, une position et une vitesse de déplacement de l’organe de montage d'outil, et une puissance électrique instantanée consommée par le moteur pour en déduire une déformation de l’éprouvette et des efforts appliqués sur l’éprouvette.
Le banc d’essai proposé par l’invention permet donc de réaliser à moindre coût des essais mécaniques uniaxiaux ne requérant pas le degré de précision fourni par les machines dédiées de traction/compression utilisées auparavant. L’unité de commande numérique d’un centre d’usinage permet néanmoins d’avoir accès à toutes les informations sur la déformation de l’éprouvette et les efforts y appliqués lors de la réalisation de l’essai, permettant de caractériser le matériau dont elle est constituée.
PRESENTATION DES FIGURES D’autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention ressortiront encore de la description qui suit, laquelle est purement illustrative et non limitative, et doit être lue au regard des figures annexées et sur lesquelles :
La figure 1 représente schématiquement un banc d’essai selon un mode de réalisation,
La figure 2 représente schématiquement un banc d’essai selon un autre mode de réalisation,
La figure 3 représente les principales étapes d’un procédé d’essai mis en œuvre avec un banc d’essai.
DESCRIPTION DETAILLEE D’AU MOINS UN MODE DE REALISATION
Le banc d’essai 1 illustré sur les figures 1 et 2 comprend un système d’usinage 10, par exemple de type tour ou fraiseuse, comprenant un axe linéaire de déplacement pour permettre le mouvement d’un organe de montage d'outil destiné à recevoir un outil coupant. Cet axe est asservi en position et en vitesse pour piloter respectivement la cote à usiner et la vitesse d’avance selon l’axe concerné. A cet égard, le système d’usinage 10 comprend un bâti 11, et un organe de montage d'outil 12, mobile en translation selon un axe. L'organe de montage d'outil 12 est configuré pour permettre le montage d'un outil destiné à l'usinage. Par exemple, dans le cas où le système d’usinage 10 est un centre de fraisage, l’outil est une broche, que l’on désignera également par le terme générique d’outil.
Le système d’usinage 10 comprend en outre un moteur électrique 13, adapté pour commander en translation l’organe de montage d'outil par rapport au bâti 11.
Comme visible sur la figure 1, le moteur 13 peut être du type rotatif. Le cas échéant, le moteur actionne en rotation une vis sans fin 20. Un écrou 21, lié cinématiquement à la partie mobile d’une liaison glissière 22 par rapport au bâti 11 du système 10, est monté sur la vis sans fin 20. Ainsi la liaison hélicoïdale entre l’écrou et la vis sans fin permet de transformer le mouvement de rotation du moteur en un mouvement de translation de la partie utile.
Sur la figure 2, le moteur 13 peut être du type linéaire. Dans ce cas, le moteur 13 est monté sur une piste magnétique 25, sur laquelle il se translate, le moteur 13 étant monté au bâti par une liaison glissière. L'organe de montage d'outil 12 est alors monté fixe sur le moteur 13 de sorte que la translation du moteur 13 sur la piste magnétique 25 correspond à la translation de l’organe de montage d'outil 12 par rapport au bâti 11.
Sur les figures 1 et 2, le système d’usinage 10 comprend en outre un mors fixe 15, monté sur le bâti, et un mors mobile 16, monté sur l’organe de montage d'outil 12. Le mors mobile 16 est doté d'un système d'attache similaire à celui d'un outil standard que l'organe de montage d'outil 12 a été prévu pour recevoir.
De la sorte, le mors mobile 16 étant fixé à l’organe de montage d'outil 12, il est mobile en translation selon le même axe que l’organe de montage d'outil 12, et tout déplacement de l’organe de montage d'outil selon une direction et une vitesse données correspond à un déplacement identique du mors mobile à vitesse identique.
Les mors fixe 15 et mobile 16 sont en outre conformés pour recevoir une éprouvette d’essai 30. Par exemple, l'éprouvette d'essai 30 peut être montée sur les mors 15, 16 par serrage ou vissage, mais d'autres moyens de montage peuvent être prévus.
Ainsi, en fixant les deux extrémités d’une éprouvette 30 respectivement au mors fixe et au mors mobile, et en déplaçant le mors mobile dans la direction de l’éprouvette, dans un sens ou dans l’autre, on obtient l’application d’un effort en traction ou en compression sur l’éprouvette.
Enfin, le système d’usinage 10 comprend en outre une unité de commande numérique 17, qui est adaptée pour commander le moteur pour entraîner l’organe de montage d'outil 12 en translation dans un sens ou dans le sens opposé dans sa direction de translation. L’unité de commande numérique 17 est également apte à mesurer la position et la vitesse de déplacement de l’organe de montage d'outil 12, ainsi que la consommation électrique du moteur.
Afin de caractériser l’éprouvette, c’est-à-dire par exemple évaluer son comportement en réponse à la sollicitation de traction ou de compression, ou d’étudier le matériau constitutif de l’éprouvette, on mesure la déformation subie par l’éprouvette en réponse à des contraintes dans l’éprouvette résultant de l’application d’efforts connus.
Pour ce faire, l’unité de commande numérique 17 est en outre adaptée pour déterminer la position du mors mobile 16, sa vitesse de déplacement, ainsi que les efforts appliqués à l’éprouvette.
Concernant la position du mors mobile 16, celle-ci est déduite immédiatement de la position de l’organe de montage d'outil 12, le mors mobile 16 étant fixe par rapport à l’organe de montage d'outil et étant donc décalé d’une distance constante par rapport à celui-ci, qu’il suffit de mesurer pour la déterminer.
La position du mors mobile 16, mesurée en temps réel au cours d’un essai en traction ou en compression, peut être comparée à sa position initiale pour déterminer la déformation de l’éprouvette.
Concernant la vitesse de déplacement du mors mobile 16, elle est égale à la vitesse de déplacement de l’organe de montage d'outil 12 qui est mesurée par l’unité de commande 17.
Enfin, concernant la mesure des efforts appliqués à l’éprouvette, ces efforts peuvent être déterminés à partir de la puissance électrique consommée par le moteur Péiec·
Ainsi dans le cas d’un moteur électrique rotatif, le moteur étant un élément de conversion d’énergie électrique en énergie mécanique de rotation non parfait, il présente un rendement strictement inférieur à 1 défini par la formule suivante : Où :
ûmoteur est le rendement du moteur,
PmécaR est Ιθ puissance mécanique de rotation délivrée par le moteur en W, Péiec est Ιθ puissance électrique consommée par le moteur en W.
La puissance mécanique de rotation délivrée est le produit du couple et de la vitesse de rotation du moteur :
PmécaR — C * Ω Où : C est le couple moteur en N.m, et Ω est la vitesse de rotation en rad/s.
Le système écrou/vis sans fin transforme l’énergie mécanique de rotation en énergie mécanique de translation et possède également un rendement strictement inférieur à 1, les pertes dues aux frottements dans la liaison glissière étant comprises dans ce rendement.
Avec : î7ViS/écrou Ιθ rendement du système vis/écrou,
PmécaT Ιθ puissance mécanique de translation en W.
La puissance mécanique de translation délivrée est le produit de l’effort axial FaXiai et de la vitesse de translation Vf du mors mobile, qui est connue.
PmécaT ~ Paxial * Vf
Avec : - Paxial l’effort axial en N, et
Vf la vitesse de déplacement en m/s.
On obtient donc, d’après les équations qui précèdent :
C est-à-dire, en posant Haxelinéaire- Hvis/écrou Hmoteur
Ainsi les efforts axiaux appliqués à l’éprouvette sont déterminables à partir de la vitesse du mors mobile et de la puissance consommée par le moteur, qui sont mesurables, et à partir du rendement de la machine, qui varie en fonction de la machine utilisée et qui doit être étalonnée au préalable.
La détermination des efforts axiaux sur l’éprouvette est réalisée de manière analogue dans le cas d’un moteur linéaire, à l’exception que le rendement global de l’axe linéaire Haxeiinéaire est égal au rendement du moteur Hmoteur, puisque le système d’usinage 20 ne comprend alors pas de système vis/écrou.
En référence à la figure 3, on a représenté les principales étapes d’un procédé d’essai uniaxial en traction ou en compression d'une éprouvette à l’aide d’un banc d’essai 1 conforme à la description qui précède.
Une première étape 100 consiste à fixer deux extrémités opposées d’une éprouvette à un mors fixe et à un mors mobile d’un tel banc d’essai. Une éprouvette présentant généralement une dimension principale, les extrémités accrochées aux mors sont les extrémités dans ladite direction principale, qui est alors parallèle à l’axe de sollicitation (comme représenté sur les figures 1 et 2).
Au cours d’une deuxième étape 200, l’unité de commande numérique 17 d’un système d’usinage 20 commande le moteur pour actionner en translation l’organe de montage d'outil et le mors mobile qui y est fixé en traction ou en compression.
Enfin, au cours d’une étape 300, l’unité de commande 17 du système d’usinage mesure, au cours de la translation du mors mobile, la position de l’organe de montage d'outil et sa vitesse de translation, et détermine à partir de ces données la position du mors mobile et sa vitesse de translation. L’unité de commande 17
mesure également la puissance consommée par le moteur pour en déduire les efforts axiaux appliqués à l’éprouvette.
Avantageusement, mais facultativement, au cours d’une étape 400, l’unité de commande 17 détermine, à partir des données mesurées, une déformation de l’éprouvette en fonction des efforts appliqués. Optionnellement, un afficheur (non représenté) peut représenter une courbe illustrant la relation entre déformation et contraintes dans l’éprouvette (correspondant aux efforts appliqués).
On a ainsi proposé un banc d’essai mécanique à sollicitation uniaxiale simple d’utilisation et peu onéreux, permettant de réaliser des essais en traction ou en compression sans recours à une machine homologuée et à un opérateur habilité.

Claims (6)

  1. REVENDICATIONS
    1. Banc d’essai (1) mécanique à sollicitation uniaxiale pour la caractérisation d’une éprouvette par la mise en œuvre sur ladite éprouvette d’essais en traction ou en compression, caractérisé en ce qu’il comporte : - un système d’usinage (10) qui comprend : o un bâti (11) et un organe de montage d'outil (12) mobile en translation par rapport au bâti, l’organe de montage d’outil (12) étant configuré pour permettre le montage d’un outil d’usinage, o un moteur (13) adapté pour entraîner l’organe de montage d'outil en translation, et o une unité de commande (17), adaptée pour commander l’organe de montage d'outil en translation, - un mors fixe (15) monté solidaire du bâti (11), et un mors mobile (16) monté solidaire de l’organe de montage d'outil (12), les mors étant adaptés pour être fixés à des extrémités d’une éprouvette (30) de sorte qu’une translation de l’organe de montage d'outil (12) par rapport au bâti génère une traction ou une compression de l’éprouvette.
  2. 2. Banc d’essai (1) mécanique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'unité de commande (17) est en outre adaptée pour mesurer une position et une vitesse de déplacement de l’organe de montage d’outil (12), et une puissance instantanée consommée par Se moteur (13) lors du déplacement dudit organe de montage d'outil (12).
  3. 3. Banc d’essai (1 ) mécanique selon Sa revendication 2, caractérisé en ce que l’unité de commande (17) est en outre adaptée pour déterminer, en fonction des données mesurées, un effort axial appliqué à une éprouvette (30) lors d'un essai en traction ou en compression.
  4. 4. Banc d’essai (1) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le moteur (13) est un moteur linéaire ou un moteur rotatif.
  5. 5. Procédé d’essai mécanique à sollicitation uniaxiale, comprenant la soumission d’une éprouvette (30) à des efforts uniaxiaux en traction ou en compression, le procédé étant caractérisé en ce qu’il est mis en œuvre par un banc d’essai (1) selon l’une des revendications précédentes.
  6. 6. Procédé d’essai mécanique selon la revendication 5, comprenant les étapes consistant à : - fixer (100) une éprouvette (30) à un mors fixe (15) et à un mors mobile (16) du banc d’essai (1), - commander (200) une translation de l’organe de montage d’outil (12) solidaire du mors mobile (16), et, mesurer (300), au cours de ladite translation, une position et une vitesse de déplacement de l’organe de montage d'outil (12), et une puissance électrique instantanée consommée par le moteur (13) pour en déduire (400) une déformation de l’éprouvette (30) et des efforts appliqués sur l'éprouvette (30).
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