WO2015079164A1 - Procédé et dispositif de détermination de l'usure d'une face de dépouille d'un outil de coupe - Google Patents

Procédé et dispositif de détermination de l'usure d'une face de dépouille d'un outil de coupe Download PDF

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WO2015079164A1
WO2015079164A1 PCT/FR2014/053036 FR2014053036W WO2015079164A1 WO 2015079164 A1 WO2015079164 A1 WO 2015079164A1 FR 2014053036 W FR2014053036 W FR 2014053036W WO 2015079164 A1 WO2015079164 A1 WO 2015079164A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
wear
function
cutting
machining
cutting tool
Prior art date
Application number
PCT/FR2014/053036
Other languages
English (en)
Inventor
Mickael RANCIC
Nicolas Batista
Damien Hebuterne
Original Assignee
Snecma
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Application filed by Snecma filed Critical Snecma
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Priority to US15/038,200 priority patent/US10401271B2/en
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/56—Investigating resistance to wear or abrasion
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/58—Investigating machinability by cutting tools; Investigating the cutting ability of tools

Definitions

  • the present disclosure relates to a method for determining the wear of a draft face of a cutting tool and a device for carrying out such a method.
  • FIG. 1A shows an example of a cutting tool 10 mounted on a machining machine 20 for machining a workpiece 30.
  • the workpiece 30 is symmetrical in revolution and rotates about its axis while the machine machining moves in a forward movement Dx in the direction of said axis to traverse the whole of the workpiece 30.
  • FIG. 1B shows a perspective view of the workpiece 30 and the cutting tool 10 in the direction B of Figure 1A.
  • Another parameter of the machining often used is the depth of pass ap (depth of material removed during cutting).
  • the removal of material is achieved by the conjunction of relative movements between the workpiece and the cutting tool: the cutting movement De, in the direction C of which the cutting force Fc is exerted, and the advance movement Dx, in the direction x of which the exertion force Fx is exerted, the radial force Fr exerted in a perpendicular direction r to the cutting direction c and the direction of advance x.
  • the cutting movement De in the direction C of which the cutting force Fc is exerted
  • the advance movement Dx in the direction x of which the exertion force Fx is exerted
  • Fr exerted in a perpendicular direction r to the cutting direction c and the direction of advance x.
  • the cutting direction c and the advancing direction x respectively correspond to a tangential direction and an axial direction
  • the direction r is a radial direction
  • the cutting tool 10 comprises a cutting edge 16, a cutting face 14 and a clearance face 12.
  • the cutting face 14 is the face along which chips 32 originating from
  • the cutting face 12 is the face facing the machined surface of the workpiece 30.
  • the cutting edge 16 is at the intersection of the cutting face 14 and the face of the workpiece. 12. The introduction of the cutting edge 16 into the workpiece 30 creates the chips 32.
  • the clearance face 12 As can be seen in FIG. 2, showing the clearance face 12 of the cutting tool 10 seen along the direction II of FIG. 1A, the clearance face 12 has a wear zone 12a which appears and as the use of the tool 10 increases, the wear of the flank face 12 may be essentially due to the high thermomechanical stresses resulting from the friction of the part 30 on the cutting tool 10. 12a of the wear face generally takes the form of a shiny stripe parallel to the cutting edge.
  • An y-axis y is also defined perpendicular to the direction of advance x in the plane of the flank 12.
  • the flank 12a of the flank 12 may be characterized in each x-axis by a characteristic length denoted VB (x) (or more simply VB) and called undercut wear. VB draft wear is usually measured in millimeters (mm).
  • the flank wear VB (x) is the distance, at fixed abscissa x, between the initial cutting edge 16 and the point of the zone. 12a furthest away from the initial cutting edge 16, measured in the direction of the ordinate axis.
  • the characteristic length VB In place of the characteristic length VB, it is known to characterize the wear of the flank face by the characteristic length VBmax, called maximum flank wear and calculated as being the maximum, over all the abscissae x, of the wear. stripped VB (x). In order to avoid edge effects, the maximum draft wear may be calculated only on a central portion of the wear area 12a of the draft face. The determination of the extent of said central portion may be performed according to standard criteria and known to those skilled in the art.
  • the cutting tool When the wear of a cutting tool reaches a level too high, the cutting tool can deform, crack or flake, resulting in the insertion of breakage in the workpiece. Moreover, the damage of a tool leads to an increase in forces and vibrations during machining, which affects the quality of the machined part, that is to say, its geometric, dimensional, dimensional characteristics. surface state and material integrity. It is therefore essential to monitor the cutting tool and to dispose of it when its wear, and in particular its undercut wear, becomes too great and exceeds a certain threshold called the scrap criterion.
  • a method of monitoring the flank wear from at least one other quantity (hereinafter observed magnitude A) is known.
  • Such quantities may include power or force exerted by the cutting tool on the workpiece.
  • machining is stopped and the cutting tool must be changed.
  • the threshold As must be determined beforehand, during a predetermined step, according to the parameters of the machining.
  • FIG. 3 An example of such a method is shown diagrammatically in FIG. 3, in which the curves 101, 102, 103 represent the respective evolutions.
  • a quantity observed A as a function of the machining time t, during several successive machining operations.
  • the observed magnitude A increases sharply at the beginning of a first machining (penetration phase of the cutting tool in the workpiece), then increases slightly, and finally decreases when the tool is removed from the part and the first machining ends.
  • the curve 102 representing a second machining has substantially the same pace as the curve 101 representing the first machining, except that the observed magnitude A reaches higher values due to the wear of the cutting tool.
  • a major disadvantage of such a method is the time required by the step of presetting the threshold As of the magnitude observed A. Indeed, insofar as the rejection criterion is often expressed relative to the undercut wear, the determination of a threshold As requires establishing an empirical correspondence between the flank wear and the observed magnitude A, which requires a large number of machining.
  • the observed magnitude A such as a force or a power
  • the predetermination of a threshold must therefore be completely redone for each machining operation and each parameter change.
  • the tool change is performed but the value of the wear of the tool is not known for all that.
  • the tool may have suffered premature wear, so that the size observed reaches its threshold well after the flank wear has reached a scrap criterion.
  • the tool having been used beyond its rejection criterion, the quality of the machined parts may not be suitable for the specifications of the manufacture.
  • the present disclosure relates to a method of determining the wear of a draft face of a cutting tool, wherein said wear is determined by means of a general function calculating a characteristic length of said wear as a function of least one representative variable of the operating conditions of a machining performed by the cutting tool, and comprising the steps of:
  • the characteristic length of said wear may be VB draft wear or maximum draft wear VBmax as previously defined.
  • the variables representative of the operating conditions of a machining may be time-dependent variables and may be chosen from, among other examples, the time itself, the length of cut observed, another variable representative of the progress of the machining over time, or a force exerted by the tool on the workpiece, energy, power, or torque.
  • the proposed method makes it possible to monitor the evolution of the characteristic length as a function of the evolution of quantities obtained during machining.
  • the general function can be integrated into a chain of longer calculations, so that said characteristic length is only an intermediate quantity in the determination of another magnitude.
  • variables representative of the operating conditions of a machining may also be variables whose evolution is predetermined, for example the length of cut (planned and unobserved) or the machined length Lu, the cutting diameter De, the speed of cutting. Vf and the quantities that are related to them.
  • the proposed method makes it possible to predictively determine the evolution of the characteristic length of the flank wear as a function of the machining conditions provided.
  • the method according to the invention provides the length characteristic of the wear for all the values of said representative variable, for example for all values of the cutting length, that is to say by virtue of a given general function.
  • the method proposed in the present disclosure makes it possible to directly determine the wear of the clearance face of the tool by calculating a characteristic length of said wear.
  • the method therefore calculates a quantity that is intrinsic to the tool, which avoids going through another quantity and determining a threshold for this other quantity, which threshold would only be valid for a part and a set of machining parameters.
  • said characteristic length in particular VB draft wear, provides a direct measurement of the wear of the draft face of the tool.
  • the wear of the flank face is therefore known and can be compared directly to an intrinsic scoring criterion for the tool.
  • two different functions are used to better model the evolution of the characteristic length as a function of the time-dependent variable.
  • the general function is then the maximum of the first function and the second function, which has the advantage of being conservative: the wear of the flank is thus never underestimated, and we do not take the risk of considering as healthy a tool whose wear of the flank has in fact exceeded the rejection criterion.
  • the determination of said wear is done in real time.
  • the wear is therefore determined without waiting, as and when calculated by the general function during the machining performed by the tool.
  • the real-time determination can provide a value of the characteristic length at any time and as soon as this value is available.
  • the determination method, used for monitoring purposes makes it possible to know in real time the wear of the tool and, if necessary, to take in real time the appropriate measurements as a function of this wear, for example to stop machining if the characteristic length exceeds a scrap criterion.
  • said general function depends on constants determined by machining tests. More particularly, in certain embodiments, the first function and / or the second function depends on constants determined by machining tests. Such a function, which depends both on constants determined by machining tests and variables, is sometimes called a semi-empirical function. Thus, even if machining tests are necessary to calibrate the function, far fewer tests are required than in the prior art methods and the function obtained remains valid for several sets of parameters.
  • the characteristic length of the wear of the flank is calculated as a function of the speed of the flank.
  • cutting Vc
  • advance per revolution per tooth fz
  • depth of pass ap
  • cutting energy Ec
  • radial force Fr
  • the radial force Fr exerted by the cutting tool on the workpiece and the cutting energy Ec always depends on time, in the sense that they vary from one moment to another.
  • the other variables may or may not depend on time.
  • some parameters among the cutting speed Vc, the advance per turn per tooth fz and the depth of pass ap are generally set as instructions, but these instructions can be constant or vary as a function of time.
  • the general function uses only variables that are either known to the machining machine or are easily accessible using conventional measuring means. Such a general function is therefore particularly simple to calculate without requiring major changes in the instrumentation of the machining machine.
  • variable representative of the operating conditions of a machining performed by the cutting tool is a time-dependent variable.
  • variable representative of the operating conditions of a machining performed by the cutting tool is a predetermined variable, that is to say a variable whose evolution or at least one future value is known. depending on the desired machining result.
  • the cut length can be selected as a representative variable in both cases.
  • the cutting length as a time dependent variable is the cutting length actually observed during machining; the process is therefore used as a monitoring method.
  • the cutting length as a predetermined variable is the value of the necessary cutting length set by the machining requirements to obtain the desired result. This value is known before the machining is done, it is in this respect predetermined; the method is then used as a prediction method, for predicting a characteristic length of the flank wear as a function of the predetermined variable, here the cutting length.
  • the first function depends on the time t and the first function is of the form:
  • Vc the cutting speed
  • fz the feed per revolution per tooth
  • Ecc the cumulative cutting energy
  • Al, Bl, Cl Four constants. Cumulative cutting energy is the sum of the cutting energy during machining, specifically:
  • t0 is the machining start time and t is the current instant.
  • the constants A1, B1, C1, D1 can be, for example, determined during machining tests.
  • a first function of the aforementioned form is particularly advantageous for modeling certain phases of the evolution of the wear of the flank face.
  • the second function is time dependent
  • Vc is the cutting speed
  • fz the advance per revolution per tooth
  • Frc the cumulative radial force
  • A2, B2, C2, D2 four constants.
  • the cumulative radial force is the sum of the radial force during the machining, more precisely:
  • t0 is the machining start time and t the current time.
  • the constants A2, B2, C2, D2 can be, for example, determined during machining tests.
  • a second function of the aforementioned form is particularly advantageous for modeling certain phases of the evolution of the wear of the draft face, in particular other phases than those already well modeled by the first function.
  • the first function depends on the cut length Le and the first function is of the form:
  • Vc, fz, Lc 10 A1 Vc B1 fz cl Lc D1
  • Vc is the cutting speed, fz the feed per turn per tooth
  • the cutting length and Al, Bl, Cl, Dl four constants.
  • the constants A1, B1, C1, D1 can be, for example, determined during machining tests. If we give the cut length a predicted and non-time dependent value, none of the variables depend on the time and the quantities measured during machining.
  • a first function of the aforementioned form is particularly advantageous for modeling predictively certain phases of the evolution of the wear of the flank face.
  • predictive modeling makes it possible to create, in a few tests, iso-wear abacuses at the draft of the part according to all these parameters. Knowing the scrap criterion and cut length value The desired, then it is possible to choose the most efficient cutting conditions while not exceeding the scrap criterion. This can in particular make it possible to shorten the machining time.
  • the first function also takes into account the depth of pass ap, for example by multiplying the aforementioned form for the first function fl by the depth of pass at a certain power (fl x ap E1 ).
  • the present disclosure also relates to a computer program comprising instructions for performing the steps of the determination method described above when said program is executed by a computer.
  • the present disclosure also relates to a computer-readable recording medium on which is recorded a computer program comprising instructions for performing the steps of the determination method described above.
  • the present disclosure also relates to a device for determining the wear of a cutting surface of a cutting tool for machining a workpiece, comprising means for determining a characteristic length of said wear, said means determining method taking into account at least one variable representative of the operating conditions of a machining performed by the cutting tool, and said determining means being configured for:
  • the determining device comprises means for measuring, as a function of time, the cutting energy of the tool or the radial force exerted by the tool on the workpiece.
  • the measuring means may be able to perform instantaneous measurements.
  • the present disclosure also relates to a method for determining the wear of a draft face of a cutting tool, in wherein said wear is determined by means of a predetermined explicit general function calculating a characteristic length of said wear as a function of at least one variable representative of the operating conditions of a machining performed by the cutting tool.
  • the general function is explicit, that is, it takes the form of a mathematical expression giving directly the characteristic length as a function of other variables, as opposed to the implicit functions, having no expression. direct and / or requiring a digital resolution.
  • the general function is predetermined, that is, it is of known shape in advance, as opposed to interpolations or artificial neural network systems.
  • the predetermined explicit general function has the advantage of being robust, fast and easy to implement and not requiring a learning phase or sophisticated resolution means.
  • the predetermined explicit general function depends on constants determined by machining tests, it suffices to make a few attempts to determine these constants (of the order of ten or so tests), which remains well below the number of tests required to constitute an artificial neural network learning base (several hundred tests).
  • the necessary tests can be optimized by the use of the Taguchi method.
  • the VB draft wear of a cutting tool changes, as a function of the cutting time t, according to the shape shown schematically in Figure 5.
  • the curve 40 there are three phases successive evolution of VB draft wear.
  • a first phase P1 the curve 140 is substantially concave and the undercut wear increases strongly.
  • This first phase PI called initiation phase, corresponds to the running-in of the cutting tool.
  • the wear VB goes into a second phase P2, called linear phase, where it follows a substantially linear growth and less than that during the first phase P1
  • the flank wear enters a phase known as the catastrophic phase.
  • the curve 40 is substantially convex and the flank wear increases very strongly.
  • a method of monitoring the flank wear from at least one other quantity (hereinafter observed magnitude A) is known.
  • Such quantities may include power or force exerted by the cutting tool on the workpiece.
  • machining is stopped and the cutting tool must be changed.
  • the threshold As must be determined beforehand, during a predetermined step, according to the parameters of the machining.
  • FIG. 6 An example of such a method is shown diagrammatically in FIG. 6, in which the curves 101, 102, 103 represent the respective evolutions of an observed quantity A as a function of the machining time t, during several successive machining operations.
  • the observed magnitude A increases sharply at the beginning of a first machining (penetration phase of the cutting tool in the workpiece), then increases slightly, and finally decreases when the tool is removed from the part and the first machining ends.
  • the curve 102 representing a second machining has substantially the same pace as the curve 101 representing the first machining, except that the observed magnitude A reaches higher values due to the wear of the cutting tool.
  • a major disadvantage of such a method is the time required by the step of presetting the threshold As of the magnitude observed A. Indeed, insofar as the rejection criterion is often expressed by With regard to wear on the flank, the determination of a threshold As requires an empirical correspondence between the flank wear and the observed magnitude A, which requires a large number of machining operations.
  • the observed magnitude A such as a force or a power
  • the predetermination of a threshold must therefore be completely redone for each machining operation and each parameter change.
  • the tool change is performed but the value of the wear of the tool is not known for all that.
  • the tool may have suffered premature wear, so that the magnitude observed reaches its threshold well after the flank wear has reached a scrap criterion.
  • the tool having been used beyond its rejection criterion, the quality of the machined parts may not be suitable for the specifications of the manufacture.
  • the present disclosure also relates to a method for evaluating the wear of a draft face of a cutting tool, characterized in that: during machining of a workpiece performed by the cutting tool in real time, at least one magnitude representative of a force or displacement of the cutting tool relative to said workpiece is measured; the onset of a catastrophic phase of increasing said wear is determined by detecting a sudden change in the overall variation of said at least one quantity as a function of time.
  • a magnitude representative of an effort or a displacement is a magnitude whose revolution translates or follows the evolution of the effort or displacement.
  • the representative magnitude can be the effort or the displacement itself.
  • the representative quantity can be obtained by calculation from the effort or the displacement, for example by derivation or integration operations or by the application of a filter.
  • the filtering may have the purpose of smoothing the magnitude, of suppressing the noise, of exacerbating the variations of the quantity, or otherwise, in particular in order to obtain the overall variation of the quantity.
  • the representative magnitude may also be a magnitude correlated with effort or displacement, implicitly or explicitly.
  • the representative magnitude is not just any size, it is not a simple parameter of the machining environment.
  • the representative quantity is a quantity which gives information on the evolution of the machining, that is to say a quantity whose evolution is impacted by the machining.
  • a magnitude representative of a force or a displacement can be, among others, a speed, an acceleration, an energy, a power, a torque, vibrations, a temperature (in particular the temperature in the vicinity of the edge section), an electric current (for example the control current of the cutting tool), a voltage, an acoustic measurement signal, etc., or else, for example, a quantity resulting from at least one of the previous calculations.
  • Measuring a quantity in real time means that the measurement of the quantity is carried out without waiting, as the value of this quantity changes during machining.
  • the real-time measurement can provide a value of the measured quantity at any time and as soon as this value is available.
  • the magnitude can be measured continuously or not. In the case where it is measured in a discrete manner, the measurement frequency is sufficiently high to accurately reflect the evolution of the magnitude.
  • the global variation of a quantity designates an information expressing the slow variations of the quantity, that is to say a representative information or function only of the evolution of the average value of the quantity and possibly of the evolution of the harmonics lower frequencies. For example, this information is computed over a time interval of sufficient magnitude to reveal slow variations of the signal.
  • the overall variation may be a smoothed or averaged value of the magnitude.
  • the overall variation of a magnitude as opposed to the magnitude itself, does not include rapid fluctuations, whether these rapid fluctuations are a measurement noise or that they reflect a vibration of the cutting tool and / or the room. In particular, the overall variation is devoid of rapid fluctuations which are uniform throughout or during a useful part of the magnitude measurement.
  • a sudden change in the overall variation of a magnitude is called a change which can be characterized by a remarkable point: extremum, point of rupture of slope, point of inflection, singularity, discontinuity, etc.
  • the abrupt change may result in an increase or decrease in the overall variation of the magnitude observed.
  • the inventors of the present invention have noticed that there is a correlation, during machining of a part, between a sudden change in the overall variation of a magnitude representative of a force or a displacement of the cutting tool with respect to the workpiece and the entry of the VB draft wear, characterizing the wear of the cutting face of the cutting tool, in a catastrophic phase of increase.
  • the method of this disclosure takes advantage of this correlation to determine the onset of a catastrophic phase of increased wear of the draft face of a cutting tool. Thanks to such a method, it is possible to know the instant of entry into the catastrophic phase. Depending on this time, it is possible to stop the machining before the wear of the cutting face of the cutting tool is detrimental to the geometry or the integrity of the workpiece. The cutting tool can be changed before damage to the workpiece is observed.
  • the abrupt change is a break point of slope.
  • the step of determining the beginning of the catastrophic phase is therefore carried out by detecting a slope breaking point in the curve of the overall variation of the magnitude, which reflects a sudden change in the overall variation of said magnitude.
  • a slope breaking point is a point separating two substantially affine portions (or two portions of substantially affine global variation) of a curve, the two portions having different direction coefficients.
  • a break point is an easily detectable element and unambiguously provides an indication of intensified variations in the magnitude measured.
  • the abrupt change is a point of inflection.
  • the step of determining the catastrophic phase beginning is therefore carried out by detecting an inflection point in the curve of the overall variation of the magnitude, which reflects a sudden change in the overall variation of said magnitude. It is recalled that a point of inflection is a point on a curve where the curve crosses its tangent.
  • - During a machining of a workpiece performed by the cutting tool, is measured in real time at least two quantities representative of a force or displacement of the cutting tool relative to said workpiece;
  • the onset of a catastrophic phase of increasing said wear is determined by detecting a sudden change in the overall variation of at least two of said magnitudes as a function of time.
  • such embodiments of the method Based on the global variations of two quantities to determine a catastrophic beginning phase of increase in wear, such embodiments of the method have a redundancy that makes it possible to determine said start more reliably through a limitation of false determinations, that is to say determinations for which the global variations of a quantity would not be consistent with the global variations of the other quantities; the false determinations may have various origins, including failure of measuring means or other anomaly of the cutting tool or part.
  • the magnitudes are selected from a force and a displacement of the cutting tool relative to the workpiece.
  • the forces and displacements are chosen from the cutting force exerted by the cutting tool on the workpiece, the axial force exerted by the cutting tool on the workpiece, the radial force exerted by the cutting tool on the workpiece, the axial displacement of the cutting tool relative to the workpiece and the cutting movement of the cutting tool relative to the workpiece.
  • the determination of the beginning of the catastrophic phase is performed in real time.
  • the measurements of quantities are treated directly, as and when they are acquired in real time.
  • the machining can be stopped before the wear of the tool rises too much and the tool does not damage the machined part.
  • the present disclosure also relates to a computer program comprising instructions for performing the steps of the evaluation method described above when said program is executed by a computer.
  • the present disclosure also relates to a computer-readable recording medium on which is recorded a computer program comprising instructions for performing the steps of the evaluation method described above.
  • the present disclosure also relates to a device for evaluating the wear of a draft face of a cutting tool for machining a workpiece, characterized in that it comprises means for measuring in real time at least one magnitude representative of a force or displacement of the tool relative to the workpiece during a machining of said workpiece performed by the tool, and means for determining the beginning of a phase catastrophic increase of said wear, the determining means being configured to indicate the beginning of the catastrophic phase of increase of said wear by detecting a sudden change in the overall variation of said at least one magnitude as a function of time.
  • Such a device makes it possible to determine whether the cutting tool is in a catastrophic phase of increasing the wear of its flank face without having to calculate thresholds of equivalent quantities.
  • Figure 1B is a perspective view along the direction B of Figure 1A.
  • FIG. 2 already described, is a view of the draft face of the tool of FIG. 1 in direction II of FIG. 1;
  • FIG. 3 already described, schematically represents a method of the prior art using a quantity observed to determine wear indirectly;
  • FIG. 4 illustrates the evolution of the maximum flank wear as a function of the observed cutting length and of the example curves of the first and second functions used in the process which is the subject of this disclosure.
  • FIG. 7 represents a set of measurements of magnitudes for different values of wear in maximum clearance, in linear phase and in catastrophic phase
  • FIG. 8 illustrates the different regimes of overall variation of a quantity measured during machining, during the linear phase of wear of the cutting tool
  • the determination method according to the invention is applied to a cutting tool of the type previously described and used for the filming of TA6V (alloy Ti Al 6 V, designation according to the French standard AFNOR, AMS 4928 according to the American standard ASTM). It is decided to characterize the wear of the flank of the cutting tool by the maximum flank wear VBmax. However, the present invention does not apply only to turning or only TA6V and another characteristic length that the maximum draft wear VBmax can be chosen.
  • FIG. 4 shows the representative curve 40 of the evolution of the maximum draft wear VBmax as a function of the length of cut observed, ie the length of cut observed during the machining and depending on the time. .
  • the cutting length Le is therefore a time-dependent variable.
  • the expression of all the magnitudes as a function of the cutting length rather than as a function of the time t makes it possible, in particular, not to take into account any interruptions in the progress of the machining.
  • the term "point" of a curve is a point of one of the curves 40, 41, 42 which is represented by a symbol such as a right square, a rhombus (inclined square) or a triangle.
  • the curves 40, 41, 42 each comprise eight points counted in the direction of the increasing lengths of section (from left to right in FIG. 4). For the curve 40, these points correspond to experimental measurements.
  • On the curve 40 there are three successive phases of evolution of the wear at maximum clearance VBmax. During a first phase, between the first two points of the curve 40, the curve 40 is substantially concave and the flank wear increases sharply. This first phase, called the initiation phase, is the break-in of the cutting tool.
  • the maximum draft wear VBmax enters a second phase, called linear phase, where it follows a substantially linear growth and less than in the first phase.
  • the maximum rush wear enters a phase known as the catastrophic phase.
  • the curve 40 is substantially convex and the flank wear increases more strongly than in the linear phase.
  • the curve 40 is obtained as a control curve, by individual measurements made according to any method of the prior art.
  • the method according to one embodiment of the invention is applied to the present filming.
  • Vc the cutting speed
  • fz the tooth-by-turn feedrate
  • Ecc the cumulative cutting energy
  • Frc the cumulative radial force
  • the variables can be known (for example, the cutting speed can be fixed, constant or variable) or measured using sensors.
  • the maximum draft wear VBmax depends on the cutting history. The fact of using cumulative quantities such as the cumulative radial force Frc or the cumulative cutting energy Ecc in the expressions of the first and second functions f1 and f2 reflects the taking into account of this cutting history.
  • the cumulated cutting force (cumulation of Fc) or the cumulated cutting torque could be used in place of the cumulated cutting energy Ecc in the expression of the first function f1.
  • the cumulative axial force (cumulation of Fx) could be used instead of the cumulative radial force Frc in the expression of the second function f2. All or part of the constants A1, B1, C1, D1, A2, B2, C2, D2 would be adapted accordingly. Beyond that, any magnitude associated with such efforts could be used in the functions f1 and / or f2.
  • Such quantities include, but are not limited to, energy, power, torque, control electric current or control voltage (including spindle current), temperature, vibration, any size obtained from previous by mathematical operations (especially derivation and integration), etc.
  • the pass depth ap does not appear explicitly in the expressions of f1 and f2, but it influences the forces and energies; it is therefore indirectly taken into account via the cumulative cutting energy Ecc and the cumulative radial force Frc.
  • the dependence on the ap depth could, however, be explicit.
  • the time dependence comes at least from the time-dependent cutting energy Ec and the radial force Fr, and from the fact that the cutting energy Ec and the radial force Fr are integrated with respect to time to give the cumulative cutting energy Ecc and the cumulative radial force Frc.
  • the first and second functions f1 and f2 therefore depend on the time at least for this double title.
  • the cutting speed Vc and the advance per revolution per tooth fz may also depend on the time.
  • the general form of the first function fl makes it possible to model the first and the second evolution phase of the maximum draft wear VBmax, as can be seen in FIG. 4.
  • the curve 41 representing the first function fl is indeed almost confused, on the initiation phase and the linear phase, with the curve 40 representing the actual evolution of the maximum draft wear VBmax.
  • the general form of the second function f2 makes it possible to model the third phase of evolution of the maximum draft wear, as can be seen in FIG. 4.
  • the curve 42 representing the second function f2 is indeed very close in this third phase, the curve 40 representing the actual evolution of the maximum draft wear VBmax.
  • the constants A1, B1, C1, D1, A2, B2, C2, D2 can be determined by cutting tests, varying the parameters Vc and fz and measuring Ecc, Frc and VBmax. This type of determination of constants is carried out by the person skilled in the art according to his knowledge.
  • the values of the eight constants A1, B1, C1, D1, A2, B2, C2, D2 lie between 0 and 10 in absolute value. More precisely, in the example of FIG. 4, said constants can take approximately the following values: Al ⁇ -5.2, Bl ⁇ l, 5, Cl ⁇ 0.6, Dl ⁇ 0.3, A2 ⁇ -2 , 9, B2 ⁇ -0.74, C2 ⁇ -0.22, D2 ⁇ 0.68.
  • first and second functions f1 and f2 may have different expressions, including expressions that depend on time and on experimentally determined constants.
  • the first and second functions f1 and f2 can also be replaced by a single expression, in particular including a maximum or minimum function.
  • FIG. 4 shows a threshold VBs.
  • the threshold VBs here is a scrap criterion for the maximum draft wear, that is to say that the cutting tool must be scrapped as soon as its maximum draft wear VBmax exceeds the scrap criterion VBs.
  • VBs is generally between 0.2 mm and 0.3 mm.
  • the curve 42 representative of the second function f2 reaches the rejection criterion VBs for a cutting length Lcl.
  • the level of wear of the cutting tool would therefore justify stopping the machining at the cutting length Lcl to change the tool.
  • the determination of the wear of the cutting face of the cutting tool is performed in real time.
  • the maximum draft wear VBmax is calculated as and when machining and the machining can be interrupted as soon as the rejection criterion VBs is reached by the calculated draft wear.
  • the risk of exceeding the rejection criterion is therefore much more limited than in the processes of the prior art.
  • the determination of the wear of the cutting face of the cutting tool that is to say here the calculation of the maximum draft wear VBmax by the general function f, can be performed a posteriori. .
  • the quantities necessary for said calculation, such as the radial force Fr and the cutting energy Ec, are nevertheless measured in real time.
  • the calculation of the characteristic length for example of the maximum draft wear VBmax, can be performed predictively, before machining, by means of a general function whose arguments do not depend on time.
  • a general function whose arguments do not depend on time.
  • the initiation and linear phases of the evolution of the flank wear can be modeled by a first function fl depending on the cutting length Le, in particular of the form:
  • the cutting force Fc exerted by the cutting tool on the workpiece is measured, the axial force Fx exerted by the cutting tool on the workpiece, the radial force Fr exerted by the cutting tool on the workpiece, the axial displacement Dx of the cutting tool relative to the workpiece and the cutting movement of the cutting tool relative to the workpiece.
  • the evolutions of these five quantities as a function of time are represented, for several values of the maximum draft wear of the cutting tool, in FIG. 7.
  • a first RI regime is a resting regime, where the cutting tool is not in contact with the workpiece.
  • the forces Fc, Fx, Fr exerted by the cutting tool on the workpiece are zero and the displacements De, Dx can be constant (with any vibrations close).
  • a second regime R2 which is a transient regime, the cutting tool enters the room to its cutting position.
  • a third regime R3 the cutting tool performs the actual cutting; when the wear of the cutting tool is not in catastrophic phase, the magnitude presents, during the third regime R3, a regular evolution without abrupt change.
  • its overall variation may be substantially constant (see for example Fc, Fx, Fr, De) or substantially linear (see for example Dx).
  • a fourth R4 regime the cutting tool moves away from the room to dissociate completely. The cutting tool thus reaches a fifth regime R5, which is a resting regime similar to the first RI diet.
  • each graph represents the measurement of a magnitude during the succession of these five regimes.
  • the method may include an optional step of filtering or calculating from one or more of the measurements obtained.
  • This filtering or calculation step may be, in particular, a preprocessing step intended to obtain the overall variation of the magnitude, or more generally to facilitate the detection of a sudden change which will be carried out thereafter. It may include the application of a noise reduction filter (low pass filter) or any other type of transformation.
  • a noise reduction filter low pass filter
  • the onset of a catastrophic phase of increased wear of the rake face of the cutting tool is determined by detecting a sudden change in the overall variation of at least one of the five sizes. mentioned above as a function of time.
  • the detection of said sudden change is preferably performed during the third regime R3.
  • the abrupt change is sought in the form of a break point of slope.
  • FIG. 9 shows an example of detection of such a point of rupture of slope showing a sudden change in the global variation of the radial force Fr and a catastrophic phase entry.
  • the curve representing the evolution of the radial force Fr during the regime R3 follows, globally, a first straight line d1 up to a time t1 then a second line d2 from from time tl to time t2.
  • the time t2 is the abscissa of an extremum of the radial force Fr, in this case of a maximum.
  • the time tl is the abscissa of the point of intersection of the lines d1 and d2 and defines the moment of rupture of slope, therefore the moment of sudden change in the variations of the radial force Fr.
  • the lines d1 and d2 translate the global variation of the radial force Fr during the regime R3.
  • the establishment of the rights dl and d2 can be made by all means available to those skilled in the art, for example by linear regressions. Other characterizations of the global variation of the radial force are possible; in the present case, linear regression lines are particularly suitable for detecting a slope failure point.
  • the beginning of the catastrophic phase P3 is detected on the basis of a sudden change in the overall variation of a single magnitude.
  • it is possible to confirm this detection by detecting a sudden change in the overall variation of a second, distinct quantity, and to determine the beginning of the catastrophic phase P3 only. from the moment when a sudden change has been detected also in the overall variation of the second magnitude.

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Abstract

Procédé de détermination de l'usure d'une face de dépouille d'un outil de coupe, dans lequel ladite usure est déterminée au moyen d'une fonction générale calculant une longueur caractéristique de ladite usure en fonction d'au moins une variable dépendant du temps. Dispositif associé.

Description

Procédé et dispositif de détermination de l'usure
d'une face de dépouille d'un outil de coupe
DOMAINE DE L'INVENTION
Le présent exposé concerne un procédé de détermination de l'usure d'une face de dépouille d'un outil de coupe et un dispositif permettant la mise en œuvre d'un tel procédé.
ARRIERE-PLAN
Lors de l'usinage d'une pièce par un outil de coupe, l'outil de coupe s'use progressivement. La figure 1A montre un exemple d'outil de coupe 10 monté sur une machine d'usinage 20 pour usiner une pièce 30. En l'occurrence, la pièce 30 est à symétrie de révolution et tourne autour de son axe tandis que la machine d'usinage se déplace selon un mouvement d'avance Dx dans la direction dudit axe pour parcourir l'ensemble de la pièce 30. La figure 1B montre une vue en perspective de la pièce 30 et de l'outil de coupe 10 selon la direction B de la figure 1A. La pièce 30 a donc, par rapport à l'outil de coupe 10, une trajectoire hélicoïdale caractérisée par une vitesse de coupe Vc et une avance par tour par dent fz (pas de l'hélice ; si f est l'avance globale par tour et Z le nombre de dents, on a f = fz x Z). Un autre paramètre de l'usinage souvent employé est la profondeur de passe ap (profondeur de matière retirée lors de la coupe).
De manière générale, lors de l'usinage d'une pièce par un outil de coupe, l'enlèvement de matière est réalisé par la conjonction de mouvements relatifs entre la pièce et l'outil de coupe : le mouvement de coupe De, dans la direction c duquel s'exerce l'effort de coupe Fc, et le mouvement d'avance Dx, dans la direction x duquel s'exerce l'effort d'avance Fx. L'effort radial Fr s'exerce dans une direction r perpendiculaire à la direction de coupe c et la direction d'avance x. Ces mouvements et efforts sont représentés sur les figures 1A et 1B. Dans le cas d'un tournage, où la pièce à usiner est sensiblement à symétrie de révolution et en rotation sur elle-même, comme c'est le cas sur l'exemple des figures 1A et 1B, la direction de coupe c et la direction d'avance x correspondent respectivement à une direction tangentielle et une direction axiale, et la direction r est une direction radiale.
Sur l'exemple représenté, l'outil de coupe 10 comporte une arête de coupe 16, une face de coupe 14 et une face de dépouille 12. La face de coupe 14 est la face le long de laquelle sont évacués des copeaux 32 issus de la coupe de la pièce 30. La face de dépouille 12 est la face située en regard de la surface usinée de la pièce 30. L'arête de coupe 16 se situe à l'intersection de la face de coupe 14 et de la face de dépouille 12. L'introduction de l'arête de coupe 16 dans la pièce 30 crée les copeaux 32.
Comme on peut le voir sur la figure 2, représentant la face de dépouille 12 de l'outil de coupe 10 vue selon la direction II de la figure 1A, la face de dépouille 12 comporte une zone d'usure 12a qui apparaît et s'agrandit au fur et à mesure de l'utilisation de l'outil 10. L'usure de la face de dépouille 12 peut être essentiellement due aux contraintes thermomécaniques élevées résultant du frottement de la pièce 30 sur l'outil de coupe 10. La zone d'usure 12a de la face de dépouille revêt généralement la forme d'une bande striée brillante parallèle à l'arête de coupe.
En référence à la figure 2, on définit un axe des abscisses porté par la direction d'avance x et parallèle à l'arête de coupe 16 initiale, c'est-à- dire parallèle à l'arête de coupe 16 avant qu'elle ne subisse une quelconque usure. On définit également un axe des ordonnées y perpendiculaire à la direction d'avance x dans le plan de la face de dépouille 12. La zone de dépouille 12a de la face de dépouille 12 peut être caractérisée, en chaque abscisse x, par une longueur caractéristique notée VB(x) (ou plus simplement VB) et appelée usure en dépouille. L'usure en dépouille VB est généralement mesurée en millimètres (mm). Comme indiqué sur la figure 2, l'usure en dépouille VB(x) est la distance, à abscisse x fixée, entre l'arête de coupe 16 initiale et le point de la zone d'usure 12a le plus éloigné de l'arête de coupe 16 initiale, mesurée dans la direction de l'axe des ordonnées.
A la place de la longueur caractéristique VB, il est connu de caractériser l'usure de la face de dépouille par la longueur caractéristique VBmax, appelée usure en dépouille maximale et calculée comme étant le maximum, sur toutes les abscisses x, de l'usure en dépouille VB(x). Afin d'éviter les effets de bord, l'usure en dépouille maximale peut n'être calculée que sur une partie centrale de la zone d'usure 12a de la face de dépouille. La détermination de l'étendue de ladite partie centrale peut être effectuée selon des critères normalisés et connus de l'homme du métier.
Lorsque l'usure d'un outil de coupe atteint un niveau trop important, l'outil de coupe peut se déformer, se fissurer ou encore s'écailler, ce qui entraîne l'insertion de bris dans la pièce usinée. Par ailleurs, l'endommagement d'un outil conduit à une augmentation des efforts et des vibrations lors de l'usinage, ce qui nuit à la qualité de la pièce usinée, c'est-à-dire ses caractéristiques géométriques, dimensionnelles, d'état de surface et d'intégrité matière. Il est donc primordial de surveiller l'outil de coupe et de le mettre au rebut lorsque son usure, et notamment son usure en dépouille, devient trop importante et dépasse un certain seuil appelé critère de rebut.
Pour déterminer si l'usure en dépouille d'un outil est trop importante, on connaît un procédé de surveillance de l'usure en dépouille à partir d'au moins une autre grandeur (ci-après grandeur observée A). De telles grandeurs peuvent inclure une puissance ou un effort exercé par l'outil de coupe sur la pièce. Dans le cas où la grandeur observée dépasse un seuil As, l'usinage est arrêté et l'outil de coupe doit être changé. Le seuil As doit être déterminé au préalable, lors d'une étape de prédétermination, en fonction des paramètres de l'usinage.
Un exemple d'un tel procédé est schématisé sur la figure 3, sur laquelle les courbes 101, 102, 103 représentent les évolutions respectives d'une grandeur observée A en fonction du temps d'usinage t, lors de plusieurs usinages successifs. Comme on peut le voir sur la courbe 101, la grandeur observée A augmente fortement au début d'un premier usinage (phase de pénétration de l'outil de coupe dans la pièce), puis augmente plus légèrement, et enfin décroît lorsque l'outil est retiré de la pièce et que le premier usinage prend fin. La courbe 102 représentant un deuxième usinage a sensiblement la même allure que la courbe 101 représentant le premier usinage, si ce n'est que la grandeur observée A atteint des valeurs plus élevées du fait de l'usure de l'outil de coupe. Pendant un troisième usinage, les valeurs atteintes par la grandeur observée A (dont l'évolution est représentée par la courbe 103) sont encore plus élevées, si bien qu'au cours du troisième usinage, la grandeur observée A atteint le seuil prédéterminé As et le troisième usinage est arrêté au temps t=tl.
Un inconvénient majeur d'un tel procédé est le temps requis par l'étape de prédétermination du seuil As de la grandeur observée A. En effet, dans la mesure où le critère de rebut est souvent exprimé par rapport à l'usure en dépouille, la détermination d'un seuil As nécessite d'établir une correspondance empirique entre l'usure en dépouille et la grandeur observée A, ce qui requiert un grand nombre d'usinages.
Par ailleurs, tandis que l'usure en dépouille de l'outil est une grandeur intrinsèque à l'outil, la grandeur observée A, telle qu'un effort ou une puissance, dépend également de la pièce usinée, notamment de son matériau, de la vitesse de coupe et de tous les paramètres d'usinage. Dans un tel procédé, la prédétermination d'un seuil doit donc être refaite intégralement pour chaque opération d'usinage et chaque changement de paramètre.
En outre, lorsque la grandeur observée A atteint le seuil prédéterminé As, on procède au changement d'outil mais la valeur de l'usure en dépouille de l'outil n'est pas connue pour autant. Par exemple, l'outil peut avoir subi une usure prématurée, si bien que la grandeur observée atteint son seuil bien après que l'usure en dépouille a atteint un critère de rebut. Dans un tel cas, l'outil ayant été utilisé au-delà de son critère de rebut, la qualité des pièces usinées pourrait ne pas convenir au cahier des charges de la fabrication.
II existe donc un besoin pour un nouveau type de procédé de détermination de l'usure d'un outil de coupe.
PRESENTATION DE L'INVENTION
Le présent exposé concerne un procédé de détermination de l'usure d'une face de dépouille d'un outil de coupe, dans lequel ladite usure est déterminée au moyen d'une fonction générale calculant une longueur caractéristique de ladite usure en fonction d'au moins une variable représentative des conditions opératoires d'un usinage effectué par l'outil de coupe, et comprenant les étapes de :
- calcul d'une première valeur de ladite longueur caractéristique par une première fonction (fl, 41) ;
- calcul d'une deuxième valeur de ladite longueur caractéristique par une deuxième fonction (f2, 42) ;
- calcul de ladite fonction générale (f, 40) comme maximum de ladite première valeur et de ladite deuxième valeur.
Par exemple, la longueur caractéristique de ladite usure peut être l'usure en dépouille VB ou l'usure en dépouille maximale VBmax telles que précédemment définies. Les variables représentatives des conditions opératoires d'un usinage peuvent être des variables dépendant du temps et peuvent être choisies parmi, entre autres exemples, le temps lui-même, la longueur de coupe observée, une autre variable représentative de l'avancement de l'usinage au cours du temps, ou bien un effort exercé par l'outil sur la pièce, une énergie, une puissance, ou un couple. Ainsi, le procédé proposé permet de surveiller l'évolution de la longueur caractéristique en fonction de l'évolution de grandeurs obtenues pendant l'usinage. En outre, la fonction générale peut être intégrée à une chaîne de calculs plus longue, de sorte que ladite longueur caractéristique ne soit qu'une grandeur intermédiaire dans la détermination d'une autre grandeur.
Les variables représentatives des conditions opératoires d'un usinage peuvent également être des variables dont l'évolution est prédéterminée, par exemple la longueur de coupe (prévue et non observée) ou encore la longueur usinée Lu, le diamètre de coupe De, la vitesse d'avance Vf et les grandeurs qui sont liées à celles-ci. Dans ce cas, le procédé proposé permet de déterminer de manière prédictive l'évolution de la longueur caractéristique de l'usure en dépouille en fonction des conditions d'usinage prévues. A la différence des modèles de type Taylor ou Gilbert qui permettent de déterminer le temps d'usinage correspondant à une usure en dépouille donnée et nécessitent la réévaluation des constantes du modèle pour une usure en dépouille différente, le procédé selon l'invention fournit la longueur caractéristique de l'usure pour toutes les valeurs de ladite variable représentative, par exemple pour toutes les valeurs de la longueur de coupe, c'est-à-dire grâce à une fonction générale donnée.
Dans tous les cas, le procédé proposé dans le présent exposé permet de déterminer directement l'usure de la face de dépouille de l'outil en calculant une longueur caractéristique de ladite usure. Le procédé calcule donc une grandeur qui est intrinsèque à l'outil, ce qui évite de passer par une autre grandeur et de déterminer un seuil pour cette autre grandeur, lequel seuil ne serait valable que pour une pièce et un jeu de paramètres d'usinage. Par ailleurs, ladite longueur caractéristique, notamment l'usure en dépouille VB, fournit une mesure directe de l'usure de la face de dépouille de l'outil. L'usure de la face de dépouille est donc connue et peut être comparée directement à un critère de rebut intrinsèque à l'outil. En outre, dans de tels modes de réalisation, on emploie deux fonctions différentes pour mieux modéliser l'évolution de la longueur caractéristique en fonction de la variable dépendant du temps. La fonction générale est alors le maximum de la première fonction et de la deuxième fonction, ce qui a l'avantage d'être conservatif : l'usure de la face de dépouille n'est ainsi jamais sous-estimée, et on ne prend pas le risque de considérer comme sain un outil dont l'usure de la face de dépouille a en fait dépassé le critère de rebut.
Dans certains modes de réalisation, la détermination de ladite usure est effectuée en temps réel. L'usure est donc déterminée sans attente, au fur et à mesure du calcul effectué par la fonction générale pendant l'usinage effectué par l'outil. La détermination en temps réel peut fournir une valeur de la longueur caractéristique à tout instant et dès que cette valeur est disponible. Ainsi, le procédé de détermination, utilisé à des fins de surveillance, permet de connaître en temps réel l'usure de l'outil et, le cas échéant, de prendre en temps réel les mesures adéquates en fonction de cette usure, par exemple arrêter l'usinage si la longueur caractéristique dépasse un critère de rebut.
Dans certains modes de réalisation, ladite fonction générale dépend de constantes déterminées par des essais d'usinage. Plus particulièrement, dans certains modes de réalisation, la première fonction et/ou la deuxième fonction dépend de constantes déterminées par des essais d'usinage. Une telle fonction, dépendant à la fois de constantes déterminées par des essais d'usinage et de variables, est parfois appelée fonction semi- empirique. Ainsi, même si des essais d'usinage sont nécessaires pour étalonner la fonction, beaucoup moins d'essais sont nécessaires que dans les procédés de l'art antérieur et la fonction obtenue reste valable pour plusieurs jeux de paramètres.
Dans certains modes de réalisation, la longueur caractéristique de l'usure de la face de dépouille est calculée en fonction de la vitesse de coupe (Vc), l'avance par tour par dent (fz), la profondeur de passe (ap), l'énergie de coupe (Ec) et l'effort radial (Fr). Ces variables sont bien connues de l'homme du métier. On rappelle que l'énergie associée à un effort est liée au travail dudit effort. En outre, la dépendance à l'énergie de coupe peut se présenter sous la forme d'une dépendance à l'énergie de coupe cumulée, comme il sera détaillé par la suite.
Parmi les variables précitées, l'effort radial Fr exercé par l'outil de coupe sur la pièce et l'énergie de coupe Ec dépendent toujours du temps, au sens où ils varient d'un instant à l'autre. Selon les cas, les autres variables peuvent ou non dépendre du temps. En effet, certains paramètres parmi la vitesse de coupe Vc, l'avance par tour par dent fz et la profondeur de passe ap sont généralement fixés comme consignes, mais ces consignes peuvent être constantes ou varier en fonction du temps.
Dans de tels modes de réalisation, la fonction générale n'utilise que des variables qui sont soit connues par la machine d'usinage, soit facilement accessibles à l'aide de moyens de mesure classiques. Une telle fonction générale est donc particulièrement simple à calculer sans nécessiter de changement majeur de l'instrumentation de la machine d'usinage.
Comme indiqué précédemment, dans certains modes de réalisation, la variable représentative des conditions opératoires d'un usinage effectué par l'outil de coupe est une variable dépendant du temps. Dans certains autres modes de réalisation, la variable représentative des conditions opératoires d'un usinage effectué par l'outil de coupe est une variable prédéterminée, c'est-à-dire une variable dont l'évolution ou au moins une valeur future est connue en fonction du résultat d'usinage souhaité.
Par exemple, la longueur de coupe peut être sélectionnée comme variable représentative dans les deux cas. Dans le premier cas, la longueur de coupe comme variable dépendant du temps est la longueur de coupe effectivement observée pendant l'usinage ; le procédé est donc utilisé comme un procédé de surveillance. Dans le second cas, la longueur de coupe comme variable prédéterminée est la valeur de la longueur de coupe nécessaire fixée par les besoins de l'usinage pour obtenir le résultat souhaité. Cette valeur est connue avant que l'usinage ne soit effectué, elle est à ce titre prédéterminée ; le procédé est alors utilisé comme un procédé de prédiction, permettant de prédire une longueur caractéristique de l'usure en dépouille en fonction de la variable prédéterminée, ici la longueur de coupe.
Dans certains modes de réalisation, la première fonction dépend du temps t et la première fonction est de la forme :
fl(Vc,fz,Ec,t) = 10A1VcB1fzclEccD1 où Vc est la vitesse de coupe, fz l'avance par tour par dent, Ecc l'énergie de coupe cumulée et Al, Bl, Cl, Dl quatre constantes. L'énergie de coupe cumulée désigne le cumul de l'énergie de coupe pendant l'usinage, plus précisément :
Ecc(t) = J Ec(u)du
to
où tO est l'instant de début d'usinage et t l'instant courant. Les constantes Al, Bl, Cl, Dl peuvent être, par exemple, déterminées lors d'essais d'usinage.
Une première fonction de la forme précitée est particulièrement avantageuse pour modéliser certaines phases de l'évolution de l'usure de la face de dépouille.
Dans certains modes de réalisation, la deuxième fonction dépend du temps
Figure imgf000011_0001
où Vc est la vitesse de coupe, fz l'avance par tour par dent, Frc l'effort radial cumulé et A2, B2, C2, D2 quatre constantes. L'effort radial cumulé désigne le cumul de l'effort radial pendant l'usinage, plus précisément :
Figure imgf000012_0001
où t0 est l'instant de début d'usinage et t l'instant courant. Les constantes A2, B2, C2, D2 peuvent être, par exemple, déterminées lors d'essais d'usinage.
Une deuxième fonction de la forme précitée est particulièrement avantageuse pour modéliser certaines phases de l'évolution de l'usure de la face de dépouille, notamment d'autres phases que celles déjà bien modélisées par la première fonction.
Dans certains modes de réalisation, la première fonction dépend de la longueur de coupe Le et la première fonction est de la forme :
fl(Vc, fz, Lc) = 10A1VcB1fzclLcD1
où Vc est la vitesse de coupe, fz l'avance par tour par dent, Le la longueur de coupe et Al, Bl, Cl, Dl quatre constantes. Les constantes Al, Bl, Cl, Dl peuvent être, par exemple, déterminées lors d'essais d'usinage. Si on donne à la longueur de coupe une valeur prédite et non dépendant du temps, aucune des variables ne dépend du temps ni de grandeurs mesurées pendant l'usinage. Ainsi, une première fonction de la forme précitée est particulièrement avantageuse pour modéliser prédictivement certaines phases de l'évolution de l'usure de la face de dépouille. En outre, la modélisation prédictive permet de créer, en peu d'essais, des abaques d'iso-usure en dépouille de la pièce en fonction de l'ensemble de ces paramètres. Connaissant le critère de rebut et la valeur de longueur de coupe Le souhaitée, il est ensuite possible de choisir les conditions de coupe les plus efficaces tout en ne dépassant pas le critère de rebut. Ceci peut notamment permettre de raccourcir le temps d'usinage.
Dans certains modes de réalisation, en particulier en tournage, la première fonction prend en compte en outre la profondeur de passe ap, par exemple en multipliant la forme précitée pour la première fonction fl par la profondeur de passe à une certaine puissance (fl x apE1).
Le présent exposé concerne également un programme d'ordinateur comportant des instructions pour l'exécution des étapes du procédé de détermination décrit précédemment lorsque ledit programme est exécuté par un ordinateur.
Le présent exposé concerne également un support d'enregistrement lisible par un ordinateur sur lequel est enregistré un programme d'ordinateur comprenant des instructions pour l'exécution des étapes du procédé de détermination décrit précédemment.
Le présent exposé concerne également un dispositif de détermination de l'usure d'une face de dépouille d'un outil de coupe pour l'usinage d'une pièce, comprenant des moyens de détermination d'une longueur caractéristique de ladite usure, lesdits moyens de détermination prenant en compte au moins une variable représentative des conditions opératoires d'un usinage effectué par l'outil de coupe, et lesdits moyens de détermination étant configurés pour :
- calculer une première valeur de ladite longueur caractéristique par une première fonction (fl, 41) ;
- calculer une deuxième valeur de ladite longueur caractéristique par une deuxième fonction (f2, 42) ;
- calculer ladite longueur caractéristique comme maximum de ladite première valeur et de ladite deuxième valeur.
Dans certains modes de réalisation, le dispositif de détermination comprend des moyens de mesure, en fonction du temps, de l'énergie de coupe de l'outil ou de l'effort radial exercé par l'outil sur la pièce. Les moyens de mesure peuvent être aptes à effectuer des mesures instantanées.
Le présent exposé concerne également un procédé de détermination de l'usure d'une face de dépouille d'un outil de coupe, dans lequel ladite usure est déterminée au moyen d'une fonction générale explicite prédéterminée calculant une longueur caractéristique de ladite usure en fonction d'au moins une variable représentative des conditions opératoires d'un usinage effectué par l'outil de coupe. La fonction générale est explicite, c'est-à-dire qu'elle prend la forme d'une expression mathématique donnant directement la longueur caractéristique en fonction d'autres variables, par opposition notamment aux fonctions implicites, n'ayant pas d'expression directe et/ou nécessitant une résolution numérique. La fonction générale est prédéterminée, c'est-à-dire qu'elle est de forme connue à l'avance, par opposition aux interpolations ou aux systèmes de type réseau de neurones artificiels. Ainsi, la fonction générale explicite prédéterminée présente l'avantage d'être robuste, rapide et facile à mettre en œuvre et de ne pas nécessiter de phase d'apprentissage ni de moyens de résolution sophistiqués. En outre, même si la fonction générale explicite prédéterminée dépend de constantes déterminées par des essais d'usinage, il suffit de quelques essais pour déterminer ces constantes (de l'ordre de la dizaine d'essais), ce qui reste bien inférieur au nombre d'essais requis pour constituer une base d'apprentissage de réseau de neurones artificiels (plusieurs centaines d'essais). De surcroît, les essais nécessaires peuvent être optimisés grâce à l'emploi de la méthode Taguchi.
Par ailleurs, on sait d'expérience que l'usure en dépouille VB d'un outil de coupe évolue, en fonction du temps de coupe t, selon l'allure schématisée sur la figure 5. Sur la courbe 40, on distingue trois phases successives de l'évolution de l'usure en dépouille VB. Lors d'une première phase PI, la courbe 140 est sensiblement concave et l'usure en dépouille augmente fortement. Cette première phase PI, appelée phase d'initiation, correspond au rodage de l'outil de coupe. Ensuite, l'usure en dépouille VB entre dans une deuxième phase P2, appelée phase linéaire, où elle suit une croissance sensiblement linéaire et moins forte que lors de la première phase Pl. Enfin, dans une troisième phase P3, l'usure en dépouille entre dans une phase connue sous le nom de phase catastrophique. Dans cette troisième phase P3, la courbe 40 est sensiblement convexe et l'usure en dépouille augmente très fortement.
Pour déterminer si l'usure en dépouille d'un outil est trop importante, on connaît un procédé de surveillance de l'usure en dépouille à partir d'au moins une autre grandeur (ci-après grandeur observée A). De telles grandeurs peuvent inclure une puissance ou un effort exercé par l'outil de coupe sur la pièce. Dans le cas où la grandeur observée dépasse un seuil As, l'usinage est arrêté et l'outil de coupe doit être changé. Le seuil As doit être déterminé au préalable, lors d'une étape de prédétermination, en fonction des paramètres de l'usinage.
Un exemple d'un tel procédé est schématisé sur la figure 6, sur laquelle les courbes 101, 102, 103 représentent les évolutions respectives d'une grandeur observée A en fonction du temps d'usinage t, lors de plusieurs usinages successifs. Comme on peut le voir sur la courbe 101, la grandeur observée A augmente fortement au début d'un premier usinage (phase de pénétration de l'outil de coupe dans la pièce), puis augmente plus légèrement, et enfin décroît lorsque l'outil est retiré de la pièce et que le premier usinage prend fin. La courbe 102 représentant un deuxième usinage a sensiblement la même allure que la courbe 101 représentant le premier usinage, si ce n'est que la grandeur observée A atteint des valeurs plus élevées du fait de l'usure de l'outil de coupe. Pendant un troisième usinage, les valeurs atteintes par la grandeur observée A (dont l'évolution est représentée par la courbe 103) sont encore plus élevées, si bien qu'au cours du troisième usinage, la grandeur observée A atteint le seuil prédéterminé As et le troisième usinage est arrêté au temps t=tl.
Un inconvénient majeur d'un tel procédé est le temps requis par l'étape de prédétermination du seuil As de la grandeur observée A. En effet, dans la mesure où le critère de rebut est souvent exprimé par rapport à l'usure en dépouille, la détermination d'un seuil As nécessite d'établir une correspondance empirique entre l'usure en dépouille et la grandeur observée A, ce qui requiert un grand nombre d'usinages.
Par ailleurs, tandis que l'usure en dépouille de l'outil est une grandeur intrinsèque à l'outil, la grandeur observée A, telle qu'un effort ou une puissance, dépend également de la pièce usinée, notamment de son matériau, de la vitesse de coupe et de tous les paramètres d'usinage. Dans un tel procédé, la prédétermination d'un seuil doit donc être refaite intégralement pour chaque opération d'usinage et chaque changement de paramètre.
En outre, lorsque la grandeur observée A atteint le seuil prédéterminé As, on procède au changement d'outil mais la valeur de l'usure en dépouille de l'outil n'est pas connue pour autant. Par exemple, l'outil peut avoir subi une usure prématurée, si bien que la grandeur observée atteint son seuil bien après que l'usure en dépouille a atteint un critère de rebut. Dans un tel cas, l'outil ayant été utilisé au-delà de son critère de rebut, la qualité des pièces usinées pourrait ne pas convenir au cahier des charges de la fabrication.
Enfin, un tel procédé ne permet pas de savoir si l'usure en dépouille de l'outil de coupe est entrée ou non dans une phase catastrophique d'augmentation. Or, à partir de son entrée en phase catastrophique d'augmentation de l'usure en dépouille, la face de dépouille de l'outil de coupe peut se dégrader très rapidement et endommager la pièce usinée.
Il existe donc un besoin pour un nouveau procédé d'évaluation de l'usure d'un outil de coupe.
Le présent exposé concerne également un procédé d'évaluation de l'usure d'une face de dépouille d'un outil de coupe, caractérisé en ce que : - au cours d'un usinage d'une pièce effectué par l'outil de coupe, on mesure en temps réel au moins une grandeur représentative d'un effort ou d'un déplacement de l'outil de coupe par rapport à ladite pièce ; - on détermine le début d'une phase catastrophique d'augmentation de ladite usure en détectant un changement brutal dans la variation globale de ladite au moins une grandeur en fonction du temps.
Une grandeur représentative d'un effort ou d'un déplacement est une grandeur dont révolution traduit ou suit l'évolution de l'effort ou du déplacement. La grandeur représentative peut être l'effort ou le déplacement lui-même. Alternativement ou en complément, la grandeur représentative peut être obtenue par calcul à partir de l'effort ou du déplacement, par exemple par des opérations de dérivation ou d'intégration ou par l'application d'un filtre. Dans ce dernier cas, le filtrage peut avoir pour objectif de lisser la grandeur, de supprimer le bruit, d'exacerber les variations de la grandeur, ou autre, notamment afin d'obtenir la variation globale de la grandeur. La grandeur représentative peut aussi être une grandeur corrélée à l'effort ou au déplacement, de manière implicite ou explicite. La grandeur représentative n'est pas n'importe quelle grandeur, elle n'est pas un simple paramètre de l'environnement de l'usinage. La grandeur représentative est une grandeur qui donne une information sur l'évolution de l'usinage, c'est-à-dire une grandeur dont l'évolution est impactée par l'usinage. Ainsi, une grandeur représentative d'un effort ou d'un déplacement peut être, entre autres, une vitesse, une accélération, une énergie, une puissance, un couple, des vibrations, une température (notamment la température au voisinage de l'arête de coupe), un courant électrique (par exemple le courant de commande de l'outil de coupe), une tension, un signal de mesure acoustique, etc., ou encore, par exemple une grandeur issue d'au moins l'une des précédentes par le calcul.
Mesurer une grandeur en temps réel signifie que la mesure de la grandeur est effectuée sans attente, au fur et à mesure de l'évolution de cette grandeur au cours de l'usinage. La mesure en temps réel peut fournir une valeur de la grandeur mesurée à tout instant et dès que cette valeur est disponible. La grandeur peut être mesurée en continu ou non. Dans le cas où elle est mesurée de manière discrète, la fréquence de mesure est suffisamment élevée pour rendre compte fidèlement de l'évolution de la grandeur.
La variation globale d'une grandeur désigne une information traduisant les variations lentes de la grandeur, c'est-à-dire une information représentative ou fonction seulement de l'évolution de la valeur moyenne de la grandeur et éventuellement de l'évolution des harmoniques de plus basses fréquences. Par exemple, cette information est calculée sur un intervalle de temps d'une amplitude suffisante pour faire apparaître les variations lentes du signal. La variation globale peut être une valeur lissée ou moyennée de la grandeur. La variation globale d'une grandeur, par opposition avec la grandeur elle-même, ne comprend pas de fluctuations rapides, que ces fluctuations rapides soient un bruit de mesure ou qu'elles traduisent une vibration de l'outil de coupe et/ou de la pièce. En particulier, la variation globale est dépourvue des fluctuations rapides qui sont uniformes tout au long ou au cours d'une partie utile de la mesure de grandeur.
On appelle changement brutal dans la variation globale d'une grandeur un changement que l'on peut caractériser par un point remarquable : extremum, point de rupture de pente, point d'inflexion, singularité, discontinuité, etc. Le changement brutal peut résulter en une augmentation ou une diminution de la variation globale de la grandeur observée.
Les inventeurs de la présente invention ont remarqué qu'il existe une corrélation, lors de l'usinage d'une pièce, entre un changement brutal dans la variation globale d'une grandeur représentative d'un effort ou d'un déplacement de l'outil de coupe par rapport à la pièce et l'entrée de l'usure en dépouille VB, caractérisant l'usure de la face de dépouille de l'outil de coupe, dans une phase catastrophique d'augmentation. Le procédé objet du présent exposé tire parti de cette corrélation pour déterminer le début d'une phase catastrophique d'augmentation de l'usure de la face de dépouille d'un outil de coupe. Grâce un tel procédé, il est possible de connaître l'instant d'entrée en phase catastrophique. En fonction de cet instant, il est possible d'arrêter l'usinage avant que l'usure de la face de dépouille de l'outil de coupe ne soit préjudiciable pour la géométrie ou l'intégrité de la pièce. L'outil de coupe peut être changé avant qu'on n'observe d'endommagement de la pièce usinée.
De plus, un tel procédé ne nécessite pas d'étape de détermination de seuil. Son application est donc simple et rapide.
Dans certains modes de réalisation, le changement brutal est un point de rupture de pente. L'étape de détermination du début de phase catastrophique s'effectue donc en détectant un point de rupture de pente dans la courbe de la variation globale de la grandeur, ce qui traduit un changement brutal dans la variation globale de ladite grandeur. On rappelle qu'un point de rupture de pente est un point séparant deux portions sensiblement affines (ou deux portions de variation globale sensiblement affine) d'une courbe, les deux portions ayant des coefficients directeurs différents. Dans le cadre du présent procédé, un point de rupture de pente est un élément facile à détecter et fournit sans ambiguïté une indication de variations intensifiées de la grandeur mesurée.
Dans certains modes de réalisation, le changement brutal est un point d'inflexion. L'étape de détermination du début de phase catastrophique s'effectue donc en détectant un point d'inflexion dans la courbe de la variation globale de la grandeur, ce qui traduit un changement brutal dans la variation globale de ladite grandeur. On rappelle qu'un point d'inflexion est un point d'une courbe où la courbe traverse sa tangente.
Dans certains modes de réalisation du procédé précédemment décrit : - au cours d'un usinage d'une pièce effectué par l'outil de coupe, on mesure en temps réel au moins deux grandeurs représentatives d'un effort ou d'un déplacement de l'outil de coupe par rapport à ladite pièce ;
- on détermine le début d'une phase catastrophique d'augmentation de ladite usure en détectant un changement brutal dans la variation globale d'au moins deux desdites grandeurs en fonction du temps.
En se basant sur les variations globales de deux grandeurs pour déterminer un début de phase catastrophique d'augmentation de l'usure, de tels modes de réalisation du procédé présentent une redondance qui permet de déterminer ledit début de manière plus fiable grâce à une limitation des fausses déterminations, c'est-à-dire des déterminations pour lesquelles les variations globales d'une grandeur ne seraient pas cohérentes avec les variations globales des autres grandeurs ; les fausses déterminations peuvent avoir diverses origines, parmi lesquelles des pannes de moyens de mesure ou une autre anomalie de l'outil de coupe ou de la pièce.
Dans certains modes de réalisation, les grandeurs sont choisies entre un effort et un déplacement de l'outil de coupe par rapport à la pièce.
Dans certains modes de réalisation, les efforts et déplacements sont choisis parmi l'effort de coupe exercé par l'outil de coupe sur la pièce, l'effort axial exercé par l'outil de coupe sur la pièce, l'effort radial exercé par l'outil de coupe sur la pièce, le déplacement axial de l'outil de coupe par rapport à la pièce et le déplacement de coupe de l'outil de coupe par rapport à la pièce. Certaines de ces grandeurs étant généralement déjà mesurées lors des usinages, l'application du procédé peut ne nécessiter aucun moyen de mesure supplémentaire ; un tel procédé s'avère donc peu coûteux.
Dans certains modes de réalisation, la détermination du début de la phase catastrophique est effectuée en temps réel. Dans de tels modes de réalisation, les mesures de grandeurs sont traitées directement, au fur et à mesure de leur acquisition en temps réel. Ainsi, l'usinage peut être arrêté avant que l'usure en dépouille de l'outil n'augmente trop et que l'outil n'endommage la pièce usinée.
Le présent exposé concerne également un programme d'ordinateur comportant des instructions pour l'exécution des étapes du procédé d'évaluation précédemment décrit lorsque ledit programme est exécuté par un ordinateur.
Le présent exposé concerne également un support d'enregistrement lisible par un ordinateur sur lequel est enregistré un programme d'ordinateur comprenant des instructions pour l'exécution des étapes du procédé d'évaluation précédemment décrit.
Le présent exposé concerne également un dispositif d'évaluation de l'usure d'une face de dépouille d'un outil de coupe pour l'usinage d'une pièce, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de mesure en temps réel d'au moins une grandeur représentative d'un effort ou d'un déplacement de l'outil par rapport à la pièce au cours d'un usinage de ladite pièce effectué par l'outil, et des moyens de détermination du début d'une phase catastrophique d'augmentation de ladite usure, les moyens de détermination étant configurés pour indiquer le début de la phase catastrophique d'augmentation de ladite usure en détectant un changement brutal dans la variation globale de ladite au moins une grandeur en fonction du temps.
Un tel dispositif permet de déterminer si l'outil de coupe se trouve dans une phase catastrophique d'augmentation de l'usure de sa face de dépouille, sans avoir à calculer des seuils de grandeurs équivalentes.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
L'invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description détaillée qui suit, de modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs. Cette description se réfère aux dessins annexés, sur lesquels :
- la figure 1A, déjà décrite, représente une machine de coupe en cours d'usinage ;
- la figure 1B, déjà décrite, est une vue en perspective selon la direction B de la figure 1A.
- la figure 2, déjà décrite, est une vue de la face de dépouille de l'outil de la figure 1 dans la direction II de la figure 1 ;
- la figure 3, déjà décrite, représente schématiquement un procédé de l'art antérieur utilisant une grandeur observée pour déterminer l'usure de manière indirecte ;
- la figure 4 illustre l'évolution de l'usure en dépouille maximale en fonction de la longueur de coupe observée et des exemples de courbes des première et deuxième fonctions utilisées dans le procédé faisant l'objet du présent exposé
- la figure 5, déjà décrite, illustre schématiquement l'évolution de l'usure en dépouille VB en fonction du temps de coupe.
- la figure 6, déjà décrite, représente schématiquement un procédé de l'art antérieur utilisant une grandeur observée pour déterminer l'usure de manière indirecte ;
- la figure 7 représente un ensemble de mesures de grandeurs pour différentes valeurs de l'usure en dépouille maximale, en phase linéaire et en phase catastrophique ;
- la figure 8 illustre les différents régimes de variation globale d'une grandeur mesurée pendant l'usinage, lors de la phase linéaire d'usure de l'outil de coupe ;
- la figure 9 représente la détection d'un changement brutal sur une mesure d'un effort, lors de la phase catastrophique d'usure de l'outil de coupe. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
Dans le mode de réalisation qui sera décrit dans la suite, on applique le procédé de détermination selon l'invention à un outil de coupe du type précédemment décrit et utilisé pour le tournage du TA6V (alliage Ti Al 6 V, appellation selon la norme française AFNOR ; AMS 4928 selon la norme américaine ASTM). On choisit de caractériser l'usure de la face de dépouille de l'outil de coupe par l'usure en dépouille maximale VBmax. Cependant, la présente invention ne s'applique pas seulement au tournage ni seulement au TA6V et une autre longueur caractéristique que l'usure en dépouille maximale VBmax peut être choisie.
La figure 4 montre la courbe représentative 40 de l'évolution de l'usure en dépouille maximale VBmax en fonction de la longueur de coupe Le observée, c'est-à-dire la longueur de coupe constatée pendant l'usinage et dépendant du temps. La longueur de coupe Le est lié au temps de coupe t selon une formule dépendant du type d'usinage. Par exemple, dans le cas du tournage, on a la relation Le = Dc^Lu r 0ù Lu est la longueur usinée selon la direction d'avance (Lit = vf x t, avec Vf la vitesse d'avance et t le temps). La longueur de coupe Le est donc une variable dépendant du temps. L'expression de toutes les grandeurs en fonction de la longueur de coupe Le plutôt qu'en fonction du temps t permet notamment de ne pas tenir compte d'éventuelles interruptions dans le déroulement de l'usinage.
Dans toute la suite, on désigne par « point » d'une courbe un point d'une des courbes 40, 41, 42 qui est matérialisé par un symbole tel qu'un carré droit, un losange (carré incliné) ou un triangle. En l'occurrence, selon cette acception, les courbes 40, 41, 42 comportent chacune huit points comptés dans le sens des longueurs de coupe Le croissantes (de gauche à droite sur la figure 4). Pour la courbe 40, ces points correspondent à des mesures expérimentales. Sur la courbe 40, on distingue trois phases successives de évolution de l'usure en dépouille maximale VBmax. Lors d'une première phase, entre les deux premiers points de la courbe 40, la courbe 40 est sensiblement concave et l'usure en dépouille augmente fortement. Cette première phase, appelée phase d'initiation, correspond au rodage de l'outil de coupe. Ensuite, environ entre le deuxième point et le cinquième point, l'usure en dépouille maximale VBmax entre dans une deuxième phase, appelée phase linéaire, où elle suit une croissance sensiblement linéaire et moins forte que lors de la première phase. Enfin, dans une troisième phase, environ entre le cinquième point et le huitième point, l'usure en dépouille maximale entre dans une phase connue sous le nom de phase catastrophique. Dans cette troisième phase, la courbe 40 est sensiblement convexe et l'usure en dépouille augmente plus fortement que dans la phase linéaire.
Les trois phases d'évolution décrites ci-dessus se retrouvent dans des essais réalisés avec d'autres matériaux et/ou avec d'autres types d'usinages.
Dans le présent exemple, la courbe 40 est obtenue à titre de courbe témoin, par des mesures individuelles faites selon un procédé quelconque de l'art antérieur. Par ailleurs, on applique au présent tournage le procédé selon un mode de réalisation de l'invention.
Pour ce faire, on emploie une première fonction fl et une deuxième fonction f2 de formes respectives :
fl(Vc,fz,Ec,t) = 10A1VcB1fzclEccD1 f2(Vc,fz,Fr,t) = 10"4210 EB2+C2 logC z)+D2 log( c)] . log(Frc) où Vc est la vitesse de coupe, fz l'avance par dent par tour, Ecc l'énergie de coupe cumulée, Frc l'effort radial cumulé et Al, Bl, Cl, Dl, A2, B2, C2, D2 huit constantes. Les variables peuvent être connues (par exemple, la vitesse de coupe peut être fixée, qu'elle soit constante ou variable) ou mesurées à l'aide de capteurs. L'usure en dépouille maximale VBmax dépend de l'historique de la coupe. Le fait d'employer des grandeurs cumulées telles que l'effort radial cumulé Frc ou l'énergie de coupe cumulée Ecc dans les expressions des première et deuxième fonctions fl et f2 traduit la prise en compte de cet historique de coupe.
Par ailleurs, l'effort de coupe cumulé (cumul de Fc) ou le couple de coupe cumulé pourraient être utilisés à la place de l'énergie de coupe cumulée Ecc dans l'expression de la première fonction fl. En outre, l'effort axial cumulé (cumul de Fx) pourrait être utilisé à la place de l'effort radial cumulé Frc dans l'expression de la deuxième fonction f2. Tout ou partie des constantes Al, Bl, Cl, Dl, A2, B2, C2, D2 serait adapté en conséquence. Au-delà, une grandeur quelconque associée à de tels efforts pourrait être utilisée dans les fonctions fl et/ou f2. De telles grandeurs incluent, de manière non limitative, une énergie, une puissance, un couple, un courant électrique de commande ou une tension de commande (notamment le courant de broche), une température, des vibrations, toute grandeur obtenue à partir des précédentes par des opérations mathématiques (notamment dérivation et intégration), etc.
Dans les première et deuxième fonctions fl et f2 du présent mode de réalisation, la profondeur de passe ap ne figure pas explicitement dans les expressions de fl et f2 mais elle influence les efforts et énergies ; elle est donc indirectement prise en compte via l'énergie de coupe cumulée Ecc et l'effort radial cumulé Frc. La dépendance à la profondeur de passe ap pourrait toutefois être explicite.
Dans les première et deuxième fonctions fl et f2, la dépendance au temps provient au moins de l'énergie de coupe Ec et de l'effort radial Fr, qui dépendent du temps, et du fait que l'énergie de coupe Ec et l'effort radial Fr sont intégrés par rapport au temps pour donner l'énergie de coupe cumulée Ecc et l'effort radial cumulé Frc. Les première et deuxième fonctions fl et f2 dépendent donc du temps au moins à ce double titre. Par ailleurs, la vitesse de coupe Vc et l'avance par tour par dent fz peuvent également dépendre du temps.
La forme générale de la première fonction fl permet de modéliser la première et la deuxième phase d'évolution de l'usure en dépouille maximale VBmax, ainsi qu'on peut le voir sur la figure 4. La courbe 41 représentant la première fonction fl est en effet presque confondue, sur la phase d'initiation et la phase linéaire, avec la courbe 40 représentant l'évolution réelle de l'usure en dépouille maximale VBmax.
La forme générale de la deuxième fonction f2 permet de modéliser la troisième phase d'évolution de l'usure en dépouille maximale, ainsi qu'on peut le voir sur la figure 4. La courbe 42 représentant la deuxième fonction f2 est en effet très proche, sur cette troisième phase, de la courbe 40 représentant l'évolution réelle de l'usure en dépouille maximale VBmax.
Les constantes Al, Bl, Cl, Dl, A2, B2, C2, D2 peuvent être déterminées par des essais de coupe, en faisant varier les paramètres Vc et fz et en mesurant Ecc, Frc et VBmax. Ce type de détermination de constantes est réalisé par l'homme du métier selon ses connaissances. Dans l'exemple de la figure 4, les valeurs des huit constantes Al, Bl, Cl, Dl, A2, B2, C2, D2 sont comprises entre 0 et 10 en valeur absolue. Plus précisément, dans l'exemple de la figure 4, lesdites constantes peuvent prendre approximativement les valeurs suivantes : Al~-5,2, Bl~l,5, Cl~0,6, Dl~0,3, A2~-2,9, B2~-0,74, C2~-0,22, D2~0,68.
L'usure en dépouille maximale VBmax en fonction de la longueur de coupe Le peut donc être calculée par une fonction générale f de la forme : f = max (fl ; f2), où fl et f2 sont les fonctions précédemment définies, qui dépendent de variables dépendant du temps. Ainsi, on peut déduire de la figure 4 que f=fl sur la phase d'initiation et la phase linéaire environ et que f=f2 sur la phase catastrophique environ. Le fait de prendre pour fonction générale f le maximum des première et deuxième fonctions fl et f2 est non seulement conservatif, mais fournit de surcroît une modélisation en accord avec les essais expérimentaux et prenant en compte les variations de l'usure en dépouille maximale lors de chacune de ses phases d'évolution.
Dans d'autres configurations (matériaux et/ou usinage différents notamment), d'autres fonctions que fl et f2 peuvent être utilisées afin d'approcher les résultats expérimentaux. Ainsi, les première et deuxième fonctions fl et f2 peuvent avoir des expressions différentes, notamment des expressions qui dépendent du temps et de constantes déterminées expérimentalement. Les première et deuxième fonctions fl et f2 peuvent également être remplacées par une seule expression, notamment incluant une fonction maximum ou minimum.
On a représenté, sur la figure 4, un seuil VBs. Le seuil VBs est ici un critère de rebut pour l'usure en dépouille maximale, c'est-à-dire que l'outil de coupe doit être mis au rebut dès que son usure en dépouille maximale VBmax dépasse le critère de rebut VBs. En pratique, VBs est généralement compris entre 0.2 mm et 0.3 mm.
Dans l'exemple de la figure 4, la courbe 42 représentative de la deuxième fonction f2 atteint le critère de rebut VBs pour une longueur de coupe Lcl. Le niveau d'usure de l'outil de coupe justifierait donc d'arrêter l'usinage à la longueur de coupe Lcl pour changer l'outil.
Dans le présent mode de réalisation, la détermination de l'usure de la face de dépouille de l'outil de coupe, c'est-à-dire ici le calcul de l'usure en dépouille maximale VBmax par la fonction générale f, est effectuée en temps réel. L'usure en dépouille maximale VBmax est donc calculée au fur et à mesure de l'usinage et l'usinage peut être interrompu dès que le critère de rebut VBs est atteint par l'usure en dépouille calculée. Le risque de dépasser le critère de rebut est donc beaucoup plus limité que dans les procédés de l'art antérieur. En variante, la détermination de l'usure de la face de dépouille de l'outil de coupe, c'est-à-dire ici le calcul de l'usure en dépouille maximale VBmax par la fonction générale f, peut être effectuée a posteriori. Les grandeurs nécessaires audit calcul, telles que l'effort radial Fr et l'énergie de coupe Ec, sont tout de même mesurées en temps réel.
Selon un autre mode de réalisation, le calcul de la longueur caractéristique, par exemple de l'usure en dépouille maximale VBmax, peut être effectué de manière prédictive, avant l'usinage, grâce à une fonction générale dont les arguments ne dépendent pas du temps. Par exemple, les phases d'initiation et linéaire de l'évolution de l'usure en dépouille peuvent être modélisées par une première fonction fl dépendant de la longueur de coupe Le, notamment de la forme :
fl(Yc,fz, Lc) = 10A1V cB1fzclLcD1 où Vc est la vitesse de coupe, fz l'avance par tour par dent, Le la longueur de coupe et Al, Bl, Cl, Dl quatre constantes. Les inventeurs ont constaté que, de manière surprenante, les constantes de cette première fonction ayant comme argument la longueur de coupe sont du même ordre de grandeur que les constantes Al à Dl de la première fonction ayant comme argument l'énergie de coupe. Il existe donc une corrélation physique qui justifie le fonctionnement du modèle prédictif alors même que, comme indiqué précédemment, l'usure en dépouille dépend de l'historique de l'usinage de l'outil.
Un mode de réalisation du procédé d'évaluation de l'usure d'une face de dépouille d'un outil de coupe selon un autre aspect de l'invention va maintenant être décrit en référence à un outil de coupe du type précédemment décrit et utilisé pour le tournage du TA6V (alliage Ti Al 6 V, appellation selon la norme française AFNOR ; AMS 4928 selon la norme américaine ASTM). On choisit de caractériser l'usure de la face de dépouille de l'outil de coupe par l'usure en dépouille maximale VBmax. Cependant, la présente invention ne s'applique pas seulement au tournage ni seulement au TA6V et une autre longueur caractéristique que l'usure en dépouille maximale VBmax peut être choisie.
Pendant un usinage d'une pièce réalisé par l'outil de coupe, on mesure l'effort de coupe Fc exercé par l'outil de coupe sur la pièce, l'effort axial Fx exercé par l'outil de coupe sur la pièce, l'effort radial Fr exercé par l'outil de coupe sur la pièce, le déplacement axial Dx de l'outil de coupe par rapport à la pièce et le déplacement de coupe de l'outil de coupe par rapport à la pièce. Les évolutions de ces cinq grandeurs en fonction du temps sont représentées, pour plusieurs valeurs de l'usure en dépouille maximale de l'outil de coupe, sur la figure 7.
Les mesures de grandeurs représentées sur la figure 7 évoluent en fonction du temps selon cinq régimes successifs qui sont schématisés sur la figure 8 dans le cas de l'effort radial Fr en phase linéaire. Un premier régime RI est un régime de repos, où l'outil de coupe n'est pas en contact avec la pièce. Dans ce premier régime RI, les efforts Fc, Fx, Fr exercés par l'outil de coupe sur la pièce sont nuls et les déplacements De, Dx peuvent être constants (aux éventuelles vibrations près). Lors d'un deuxième régime R2, qui est un régime transitoire, l'outil de coupe pénètre dans la pièce jusqu'à sa position de coupe. Dans un troisième régime R3, l'outil de coupe effectue la coupe proprement dite ; lorsque l'usure en dépouille de l'outil de coupe n'est pas en phase catastrophique, la grandeur présente, au cours du troisième régime R3, une évolution régulière sans changement brutal. En particulier, sa variation globale peut être sensiblement constante (cf. par exemple Fc, Fx, Fr, De) ou sensiblement linéaire (cf. par exemple Dx). Dans un quatrième régime R4, l'outil de coupe s'éloigne de la pièce jusqu'à s'en dissocier complètement. L'outil de coupe atteint ainsi un cinquième régime R5, qui est un régime de repos semblable au premier régime RI. Sur la figure 7, chaque graphe représente la mesure d'une grandeur pendant la succession de ces cinq régimes. Après la mesure de grandeurs, le procédé peut inclure une étape optionnelle de filtrage ou de calcul à partir d'une ou plusieurs des mesures obtenues. Cette étape de filtrage ou de calcul peut être, en particulier, une étape de prétraitement visant à obtenir la variation globale de la grandeur, ou plus généralement à faciliter la détection d'un changement brutal qui sera effectuée par la suite. Elle peut comprendre l'application d'un filtre de réduction du bruit (filtre passe-bas) ou tout autre type de transformation.
Au cours du présent procédé, on détermine le début d'une phase catastrophique d'augmentation de l'usure de la face de dépouille de l'outil de coupe en détectant un changement brutal dans la variation globale d'au moins une des cinq grandeurs précitées en fonction du temps. Dans la mesure où les deuxième et quatrième régimes R2, R4 sont transitoires, la détection dudit changement brutal s'effectue de préférence au cours du troisième régime R3.
Dans le présent mode de réalisation, le changement brutal est recherché sous la forme d'un point de rupture de pente. La figure 9 montre un exemple de détection d'un tel point de rupture de pente traduisant un changement brutal dans la variation globale de l'effort radial Fr et une entrée en phase catastrophique. Ainsi que le montrent les droites dl, d2 en pointillés, la courbe représentant l'évolution de l'effort radial Fr au cours du régime R3 suit, globalement, une première droite dl jusqu'à un temps tl puis une deuxième droite d2 à partir du temps tl et jusqu'au temps t2. Le temps t2 est l'abscisse d'un extremum de l'effort radial Fr, en l'occurrence d'un maximum. Le temps tl est l'abscisse du point d'intersection des droites dl et d2 et définit l'instant de rupture de pente, donc l'instant de changement brutal dans les variations de l'effort radial Fr.
Les droites dl et d2 traduisent la variation globale de l'effort radial Fr au cours du régime R3. L'établissement des droites dl et d2 peut être réalisé par tous les moyens à la disposition de l'homme du métier, par exemple par des régressions linéaires. D'autres caractérisations de la variation globale de l'effort radial sont possibles ; dans le cas présent, des droites obtenues par régression linéaires sont particulièrement propices à la détection d'un point de rupture de pente.
Sur la figure 7, pour des valeurs de l'usure en dépouille maximale VBmax strictement inférieures à 0,185 mm, aucun changement brutal dans les variations des grandeurs n'est détecté. On observe l'apparition d'un changement brutal dans les variations globales de l'effort axial Fx, de l'effort radial Fr, du déplacement de coupe De et du déplacement axial Dx à partir de VBmax=0,185 mm. Pour VBmax=0,185 mm et VBmax=0,22 mm, ces changements brutaux sont plus particulièrement signalés par des cercles en pointillés. Le début d'une phase catastrophique P3 d'augmentation de l'usure de la face de dépouille de l'outil de coupe se produit donc dès VBmax=0,185 mm. Bien qu'il n'apparaisse pas dans le cas de la figure 7, le changement brutal peut également être repéré sur l'évolution de l'effort de coupe Fc pour d'autres types d'usinages.
Dans le présent mode de réalisation, le début de la phase catastrophique P3 est détecté sur la base d'un changement brutal de la variation globale d'une seule grandeur. Toutefois, en variante, pour une fiabilité accrue, il est possible de confirmer cette détection par la détection d'un changement brutal dans la variation globale d'une deuxième grandeur, distincte, et de ne déterminer le début de la phase catastrophique P3 qu'à partir du moment où un changement brutal a été détecté aussi dans la variation globale de la deuxième grandeur.
En outre, bien que le présent mode de réalisation ait été décrit avec un changement brutal correspondant à un point de rupture de pente, d'autres types de changements brutaux peuvent être détectés. Dans le cas où l'on détecte des changements brutaux dans les variations globales d'au moins deux grandeurs différentes, il n'est pas nécessaire que les changements brutaux détectés soient tous de même nature.
Bien que la présente invention ait été décrite en se référant à des exemples de réalisation spécifiques, des modifications peuvent être apportées à ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. En particulier, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation illustrés/mentionnés peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de détermination de l'usure d'une face de dépouille (12) d'un outil de coupe (10), dans lequel ladite usure est déterminée au moyen d'une fonction générale (f) calculant une longueur caractéristique (VB, VBmax) de ladite usure en fonction d'au moins une variable représentative des conditions opératoires d'un usinage effectué par l'outil de coupe, et comprenant les étapes de :
- calcul d'une première valeur de ladite longueur caractéristique par une première fonction (fl, 41) ;
- calcul d'une deuxième valeur de ladite longueur caractéristique par une deuxième fonction (f2, 42) ;
- calcul de ladite fonction générale (f, 40) comme maximum de ladite première valeur et de ladite deuxième valeur.
2. Procédé de détermination selon la revendication 1, dans lequel la détermination de ladite usure est effectuée en temps réel.
3. Procédé de détermination selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la première fonction et/ou la deuxième fonction dépend de constantes
(Al, Bl, Cl, Dl, A2, B2, C2, D2) déterminées par des essais d'usinage.
4. Procédé de détermination selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la longueur caractéristique de l'usure de la face de dépouille est calculée en fonction de la vitesse de coupe (Vc), l'avance par tour par dent (fz), la profondeur de passe (ap), l'énergie de coupe (Ec) et l'effort radial (Fr).
5. Procédé de détermination selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la première fonction (fl) dépend du temps t et la première fonction est de la forme :
fl(yc,fz,Ec,t) = 10A1VcB1fzclEccD1 où Vc est la vitesse de coupe, fz l'avance par tour par dent, Ecc l'énergie de coupe cumulée et Al, Bl, Cl, Dl quatre constantes.
6. Procédé de détermination selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la deuxième fonction (f2) dépend du temps t et la deuxième fonction est de la forme :
f2(Vc,fz,Fr,t) = io^210 ^2+C2 1o (^z)+ 2 log(y :)] los( rc) où Vc est la vitesse de coupe, fz l'avance par tour par dent, Frc l'effort radial cumulé et A2, B2, C2, D2 quatre constantes.
7. Procédé de détermination selon l'une quelconque des revendications 1, dans lequel la première fonction (fl) dépend de la longueur de coupe Le et la première fonction est de la forme :
fl(Vc,fz,Lc) = 10A1VcB1fzclLcD1 où Vc est la vitesse de coupe, fz l'avance par tour par dent, Le la longueur de coupe et Al, Bl, Cl, Dl quatre constantes.
8. Programme d'ordinateur comportant des instructions pour l'exécution des étapes du procédé de détermination selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 lorsque ledit programme est exécuté par un ordinateur.
9. Support d'enregistrement lisible par un ordinateur sur lequel est enregistré un programme d'ordinateur comprenant des instructions pour l'exécution des étapes du procédé de détermination selon l'une quelconque des revendications 1 à 7.
10. Dispositif de détermination de l'usure d'une face de dépouille d'un outil de coupe pour l'usinage d'une pièce, comprenant des moyens de détermination d'une longueur caractéristique de ladite usure, lesdits moyens de détermination prenant en compte au moins une variable représentative des conditions opératoires d'un usinage effectué par l'outil de coupe, et lesdits moyens de détermination étant configurés pour :
- calculer une première valeur de ladite longueur caractéristique par une première fonction (fl, 41) ;
- calculer une deuxième valeur de ladite longueur caractéristique par une deuxième fonction (f2, 42) ;
- calculer ladite longueur caractéristique comme maximum de ladite première valeur et de ladite deuxième valeur.
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