WO2023247649A1 - Outil de formage incrémental vibratoire - Google Patents

Outil de formage incrémental vibratoire Download PDF

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WO2023247649A1
WO2023247649A1 PCT/EP2023/066861 EP2023066861W WO2023247649A1 WO 2023247649 A1 WO2023247649 A1 WO 2023247649A1 EP 2023066861 W EP2023066861 W EP 2023066861W WO 2023247649 A1 WO2023247649 A1 WO 2023247649A1
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WO
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tool
vibration
actuator
punch
main axis
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/066861
Other languages
English (en)
Inventor
Eric Courteille
Ronan LE BRETON
Dominique GUINES
Frédéric Marie
Marwan JOHRA
Original Assignee
Institut National Des Sciences Appliquees De Rennes
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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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D31/00—Other methods for working sheet metal, metal tubes, metal profiles
    • B21D31/005—Incremental shaping or bending, e.g. stepwise moving a shaping tool along the surface of the workpiece
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D35/00—Combined processes according to or processes combined with methods covered by groups B21D1/00 - B21D31/00
    • B21D35/002—Processes combined with methods covered by groups B21D1/00 - B21D31/00
    • B21D35/008—Processes combined with methods covered by groups B21D1/00 - B21D31/00 involving vibration, e.g. ultrasonic

Definitions

  • the invention relates to the field of forming, and more particularly to incremental forming.
  • Forming is a manufacturing process consisting of shaping a by-product, typically a plate or sheet metal. Forming is conventionally carried out by compressing or pressing the by-product between two predetermined shapes, called respectively matrix and counter-matrix.
  • Conventional forming is a rigid process, because a given pair of dies can only produce a given shape. Thus, when we wish to change the shape of the product resulting from forming, or even only marginally modify this shape, we must change the dies used. Conventional forming is also cumbersome to set up, particularly when the sheet metal to be shaped is large, and requires very significant efforts to apply sufficient and uniform pressure on the sheet metal to be formed.
  • Incremental forming consists of locally and iteratively deforming a sheet metal to give it the desired shape. To do this, we locally deform the sheet using a tool head (also called a punch), and we iterate this process until the desired shape is achieved. To control incremental forming, the tool head is controlled in position. It is even possible to accelerate the tool, so as to control the force that the punch exerts on the sheet metal.
  • Incremental forming has many advantages, particularly compared to conventional forming processes.
  • the shape of the forming product results from the numerical control controlling the position of the tool head, and can thus be easily modified by changing the instructions at the origin of the numerical control (for example a 3D model), and this without having to change the forming tool itself unlike conventional forming.
  • Incremental forming can advantageously be implemented by integrating the tool head at the end of a robotic arm or in a numerically controlled machine. The robotic arm or the numerically controlled machine then controls the position of the tool head, by which the sheet metal is shaped.
  • Incremental forming using a robotic arm is particularly advantageous in that it can make it possible to form a large sheet metal while being significantly less expensive than a numerically controlled machine, and even less expensive expensive than traditional forming with a die and a counter die (which are, by definition, of size of the sheet to be formed).
  • Vibrations normal and transverse to the sheet thus produce complementary effects which greatly reduce the efforts required to carry out incremental forming.
  • the generation of these vibrations in the three directions is not easy.
  • the invention improves the situation.
  • the invention was designed to overcome at least some of the disadvantages of the prior art.
  • the invention proposes an incremental forming tool, characterized in that it comprises: a tool body; a tool head, attached to the body and ending with a punch at its end; accommodation provided within the body; an actuator, taking place in the housing and capable of producing a vibration in a first direction which can propagate to the punch; at least one means of transforming the first direction of the vibration into a second direction of the vibration, during its propagation to the punch.
  • the tool is able to transform a vibration produced by a unidirectional actuator (in the first direction) into a multidirectional vibration or at least in the second direction.
  • the tool is able, from an actuator producing an axial vibration (ie in a main axis of the body, also called axial direction or longitudinal direction), to produce a transverse vibration, i.e. say orthogonal to this main axis, at the level of the punch.
  • the actuator can thus be a unidirectional actuator without this preventing the tool from vibrating in several directions (including one transverse and one axial).
  • the actuator is for example a piezoelectric actuator.
  • the punch is capable of vibrating in the directions normal and transverse to the sheet (ie in the main axis of the tool body and in one or more directions orthogonal to this main axis, respectively).
  • the sheet metal is thus locally softened, and friction between the tool head and the sheet metal is reduced.
  • the elastic return of the sheet on the tool is therefore reduced. As the forces to form the sheet are reduced, the elastic return of the arm is also reduced.
  • the actuator can excite the tool head and make it vibrate by imposing a vibratory force on it to obtain, at certain frequencies, a significant vibrational force at the level of the punch by structural resonance effect, in particular when the punch is in contact with sheet.
  • said at least one transformation means comprises at least one non-axisymmetric portion with respect to a main axis of said tool.
  • the tool has a general axisymmetric shape, which improves its vibration properties, in particular by separating the vibration modes of the punch compared to a tool whose shape would be particularly asymmetric. This also makes it possible to integrate the transformation means into a pre-existing tool, by partially modifying its axisymmetric character.
  • the means for transforming the direction of the vibration is arranged so that a unidirectional vibration parallel to a main axis of said tool and produced by the actuator causes the production of a vibration of the punch in at least one direction orthogonal to the main axis.
  • the body and/or the head in particular the non-axisymmetric portion of the transformation means
  • the body and/or the head can be judiciously dimensioned, so that a given unidirectional vibration of the actuator at a given frequency delivers a given transverse vibration of the tool head. It is thus not only possible to generate multidirectional vibration of the tool head using a unidirectional actuator, but also to precisely control it.
  • This new type of tool thus allows incremental forming using a robotic arm or a numerically controlled machine (more generally any machine supporting the tool) of smaller size than those usually used, since the elastic return is less.
  • This alternatively makes it possible to form larger and/or thicker sheets with the same robotic arm.
  • friction is less, which limits the stick-slip effect. This therefore improves the quality of the position control of the tool head, and the surface condition of the sheet once formed.
  • the housing is offset relative to a main axis of the body, constituting at least partially said non-axisymmetric portion.
  • the fixing axis of the actuator within the housing is offset relative to a main axis of said tool, constituting at least partially said non-axisymmetric portion.
  • the actuator is installed within the body substantially offset relative to a main axis of the body, constituting at least partially said non-axisymmetric portion.
  • the parallel vibration induced by a unidirectional actuator mounted in the housing causes a vibration transverse to the main axis of the tool body.
  • the transfer function between the vibration in the Z axis (axial direction) and the vibration in the X, Y and Z directions can for example be carried out using a simulation (for example a numerical analysis using the finite element method) from a model of the tool obtained by computer-aided design (CAD).
  • CAD computer-aided design
  • the body comprises an addition of non-axisymmetric material with respect to a main axis of the body, said addition at least partially constituting said non-axisymmetric portion.
  • an addition of material makes it possible to contribute to the propagation of the vibration in a non-axial direction.
  • this addition of non-axisymmetric material can fulfill a third-party function, such as playing the role of a key in the assembly of the tool, making it possible to attach power supply means or sensors to the tool, etc. which saves space by pooling functions within this addition.
  • the body comprises at least one non-axisymmetric recess with respect to a main axis of the body, said at least one recess being provided within the body and at least partially constituting said non-axisymmetric portion.
  • this non-axisymmetric recess helps contribute to the propagation of the vibration in a non-axial direction. It should be noted that this non-axisymmetric recess can fulfill a third-party function, such as allowing access to parts of the tool, playing the role of a key, housing power supply means or sensors, etc. which saves space by pooling the functions within this recess.
  • the recess comprises at least one bore formed in the body and forming access to the housing from outside the body.
  • This drilling fulfills a dual role: that of contributing to the non-axisymmetry of the tool and of helping to power the actuator by providing access to the housing (to pass electrical power cables through it). This saves space, in addition to generating a transverse vibration at the punch.
  • asymmetry induced by a removal or addition of material or a drilling is not incompatible with an offset of the housing and/or the actuator.
  • these two particular characteristics can combine and amplify the asymmetry of the part, whereby the generation of a transverse vibration is improved.
  • the compression of the actuator using a wedge induces a prestress, that is to say a force (or preload) applied to the actuator in the absence of specific action (such as power supply to the actuator).
  • the preload drastically improves the energy transfer between the actuator and the tool body (therefore the gain of the transfer function described above).
  • the preload also increases the transfer of the vibration produced by the actuator to the rest of the tool.
  • the transfer function exhibits resonance. This resonance advantageously makes it possible to improve the energy transfer, and therefore to increase the amplitude of the vibration of the punch.
  • the softening of a sheet to be formed is increased, and the efforts to form this sheet are reduced.
  • the direction orthogonal to the main axis and parallel to a direction of offset of the non-axisymmetric portion is the radial transverse direction (X axis).
  • the direction orthogonal to the main axis and to the direction of offset of the non-axisymmetric portion is the tangential transverse direction (Y axis).
  • the possible combination(s) of these three directions X, Y and Z is called coupled mode(s).
  • the punch can vibrate in an axial mode, a radial mode, a tangential mode or a coupled mode makes it possible to obtain different effects on the sheet metal which is softened using vibrations.
  • forces generated by transverse vibrations reduce friction in contact between the sheet and the punch during forming, because axial vibrations would activate dislocations of the sheet at the microscopic level, which would soften the sheet.
  • the different coupled modes (notably axial/radial and axial/tangential), for their part, would make it possible to combine these effects.
  • the coupled modes make it possible to anticipate the variation in the trajectory of the punch, and therefore to maintain the transverse direction of the vibration of the punch. collinear with the direction of advance of the tool, which further improves the reduction of punch/sheet friction. In other words, we can control the direction of the transverse vibration of the tool so that it is tangent to the movement of the punch.
  • These vibration modes can further be single, double or triple, i.e. induce bending of the tool head single, double or triple, respectively.
  • FIG-4 represents a side sectional view of the tool along plane IV-IV of Figure 3;
  • FIG. 8 represents a variant of the tool head of the tool of Figure 1;
  • FIG. 9 represents a Sequential response of the tool of Figure 1 in the three directions.
  • the general principle of the disclosure consists of producing vibrations in the desired direction by modifying the structure of the forming tool and in particular by having, within the tool, means of transforming the vibrations produced by the actuator.
  • Vibrations are produced at one or more given frequencies.
  • vibration we designate in the present application a mechanical wave at a certain frequency (or a plurality of superimposed frequencies) within the medium in which the vibration propagates.
  • This vibration can be observed in the form of a vibrating force (for example at the level of the actuator mounted in the housing) or in the form of a vibratory displacement (or oscillations, for example observable at the level of the punch when it -this is free, that is to say without being in contact with a sheet).
  • This vibration also manifests itself physically in the form of vibrational energy, that is to say the combination of a vibrational effort and a vibrational displacement.
  • the tool 1 comprises a tool body 2, a tool head 3 and an actuator 4.
  • the tool body 2 and the tool head 3 are fixed on top of each other.
  • the actuator 4 is housed in the tool body 2 and/or the tool head 3.
  • the tool body 2 and the tool head 3 can be made of steel (but not necessarily the same steel).
  • the tool body 2 and the tool head 3 can more generally be made of any material capable of presenting a mechanical strength adapted to the forming forces induced by the incremental forming process.
  • the tool head 3 includes a punch 30 at one of its ends.
  • the punch is intended to come into contact with a sheet metal during an incremental forming process.
  • the tool head 3 forms the punch 30 at one end, and is connected (fixed) to the tool body 2 at an opposite end.
  • the punch 30 forms a point of the tool head 3.
  • the punch 30 can be hemispherical in shape, which makes it possible to vary the angle of contact with the sheet metal continuously.
  • the tool head 3 further comprises a base 32 via which the tool head 3 is fixed to the tool body 2.
  • the base 32 and the punch 30 are connected together by a section 34.
  • the punch 30 and the section 34 can thus form a finger projecting from the base 32.
  • the tool head 3 is here of substantially axisymmetric shape.
  • the tool head 3 has a profile which tapers from the base 32 to the punch 30.
  • the section of the tool head 3 is of substantially progressive section, without a sharp angle, between the base 32 and the punch 30 , so as to improve the mechanical properties of the part formed by the tool head 3.
  • This also makes it possible to limit the general size of the tool, which makes it possible to obtain more varied shapes.
  • the slender nature of the tool head 3 i.e. its finger shape
  • the tool 1 comprises a means of transforming the direction of the vibrations, hereinafter called a means of transformation.
  • the transformation means is capable of modifying the direction of the vibrations during their propagation from the actuator 4 in the housing 22 to the punch 30.
  • This non-axisymmetric portion of the tool 1 can include the actuator 4 itself, offset relative to the main axis 20 according to an offset of actuator 40, visible in Figure 4.
  • the housing 22 is axisymmetric relative to the main axis 20 of the tool body 2 and the actuator 4 is mounted off-center in the housing 22.
  • the housing 22 can be offset relative to the main axis 20 and the actuator 4 housed centered in the housing 22 (this inducing the offset 40). It is possible to combine an offset of housing 22 and an off-center mounting of actuator 4 in housing 22.
  • the tool body 2 may include at least one drilling 44; in Figure 1, the tool body 2 comprises two holes.
  • the drilling 44 is provided in a side wall of the tool body 2, and opens into the housing 22. When there are several drillings 44, these drillings 44 may not be equally distributed on the tool body 2, so to contribute to the asymmetry of the tool body 2, and therefore of the tool 1.
  • the drilling 44 allows, in addition to the asymmetry, access to the interior of the housing 22 so as to be able to power the actuator 4.
  • the drilling 44 can also be provided in the tool head 3 or in the cover 24 to allow access to the housing 22.
  • the asymmetrical appearance of the holes 44 is particularly visible in Figure 3, where it clearly appears that they are only formed on one side of the tool.
  • the drilling also makes it possible to dissipate the heat produced by the actuator in operation.
  • a second, finer frequency scan is then carried out around the maximum frequency(ies) obtained above, which makes it possible to obtain a precise profile of the gain in the vicinity of the resonance frequency(ies).
  • the vibrations of the punch 30 can be in several vibration modes: unidirectional modes (axial Z, radial X or tangential Y), or coupled ((X,Z), (X,Y) or (Y, Z), or ( X Y Z)).
  • the tool 1 as a whole is further dimensioned so that for at least one vibration mode, its associated transfer function includes a resonance frequency of between 5 and 30 kHz. There can be several resonance frequencies for a transfer function of a given mode, that is to say several peaks in which the energy transfer from the actuator 4 to the punch 30 is maximum (at least locally).
  • the wedge 46 can be housed in a recess 48 formed in the cover 24 in the extension of the housing 22.
  • the wedge 46 is housed on the cover side 24, but the wedge 46 could be placed on the tool head side 3.
  • part of the set of shims 46 can be on the cover 24 side and another part on the tool head 3 side.
  • the shim 46 on the cover 24 side sandwiches the interface 42 with the actuator 4.
  • the head 3 is non-axisymmetric with respect to the main axis 20.
  • the punch 30 is offset from the main axis 20.
  • the base 32 of the head 3 is substantially axisymmetric with respect to the main axis 20.
  • the asymmetry of the head 3 causes the head 3 to vibrate in a non-axisymmetric manner when the actuator 4 produces vibrations along the main axis 20.
  • the punch 30 can thus vibrate transversely (radial X or tangential Y). This advantageously allows a non-axisymmetric head 3 to be installed on a pre-existing and axisymmetric tool.
  • the punch 30 is connected to the base 32 by a section 34 whose section becomes more refined the closer it is to the punch 30.
  • the section 34 has a smooth profile, without edges or angles.
  • the asymmetry of the head 3 is compatible with the other non-axisymmetric portions described above to constitute the transformation means.
  • the transfer function presents: a coupled mode (X, Y) around 4.5 kHz (with a significantly higher gain in the Y direction compared to the X direction), a coupled mode (X, Y, Z ) around 14 kHz, and an eigenmode in the X direction around 7.5 kHz.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Percussive Tools And Related Accessories (AREA)
  • Perforating, Stamping-Out Or Severing By Means Other Than Cutting (AREA)

Abstract

La divulgation se rapporte à un outil (1) de formage incrémental. Un tel outil comprend, selon la divulgation : - un corps (2) d'outil; - une tête (3) d'outil, solidaire du corps (1) et comprenant un poinçon (30); - un logement (22) ménagé au sein du corps (2); - un actionneur (4), prenant place dans le logement (22) et apte à produire une vibration selon une première direction pouvant se propager jusqu'au poinçon (30); - au moins un moyen de transformation (4, 22, 3) de la première direction de la vibration en une deuxième direction de la vibration, durant sa propagation jusqu'au poinçon (30).

Description

DESCRIPTION
OUTIL DE FORMAGE INCRÉMENTAL VIBRATOIRE
1. Domaine technique
L'invention concerne le domaine du formage, et plus particulièrement du formage incrémental. Le formage est un procédé de fabrication consistant à mettre en forme un sous- produit, typiquement une plaque ou une tôle. Le formage est classiquement réalisé en comprimant ou pressant le sous-produit entre deux formes prédéterminées, appelées respectivement matrice et contre-matrice.
Le formage classique est cependant un procédé rigide, car une paire de matrices données ne permet de fabriquer qu'une forme donnée. Ainsi, lorsqu'on souhaite changer la forme du produit issu du formage, ou ne serait-ce que modifier marginalement cette forme, il faut changer les matrices utilisées. Le formage classique est en outre lourd à mettre en place, en particulier dès lors que la tôle à mettre en forme est de grande taille, et nécessite des efforts très importants pour appliquer une pression suffisante et uniforme sur la tôle à former.
Afin de pallier les défauts du formage classique, on a développé au cours des deux dernières décennies le formage dit incrémental (« incremental sheet forming » en anglais, ou ISF). Le formage incrémental consiste à utiliser déformer localement et de manière itérative une tôle afin de lui conférer la forme voulue. Pour ce faire, on déforme localement la tôle à l'aide d'une tête d'outil (aussi appelée poinçon), et on itère ce processus jusqu'à atteindre la forme souhaitée. Pour contrôler le formage incrémental, on commande en position la tête d'outil. Il est même possible de piloter en accélération l'outil, de sorte à contrôler la force que le poinçon exerce sur la tôle.
Le formage incrémental présente de nombreux avantages notamment vis-à-vis des procédés de formage classiques. La forme du produit du formage résulte de la commande numérique pilotant la position de la tête d'outil, et peut ainsi être aisément modifiée en changeant les instructions à l'origine de la commande numérique (par exemple un modèle 3D), et ce sans avoir à changer l'outil de formage lui-même contrairement au formage classique. Le formage incrémental peut avantageusement être mis en oeuvre en intégrant la tête d'outil au bout d'un bras robotisé ou dans une machine à commande numérique. Le bras robotisé ou la machine à commande numérique pilote alors la position de la tête d'outil, ce par quoi on conforme la tôle.
Le formage incrémental à l'aide d'un bras robotisé est tout particulièrement avantageux en ce qu'il peut permettre de réaliser un formage sur une tôle de grande dimension tout en étant nettement moins coûteux qu'une machine à commande numérique, et encore moins coûteux qu'un formage traditionnel avec une matrice et une contre-matrice (qui sont, par définition, de la taille de la tôle à former).
Grâce à sa souplesse et sa facilité de mise en œuvre, le formage incrémental présente de nombreux avantages, et trouve sa place dans la fabrication de prototypes ou de petites séries.
2. Technique antérieure
Comme expliqué ci-dessus, le formage incrémental repose sur la déformation locale d'une tôle. Cette déformation résulte de l'application locale d'une force (ou une pression) sur cette tôle par le poinçon. Cette force provoque donc en retour une déformation élastique du bras robotisé. Si cette déformation est trop importante, cela déplace le bras robotisé et perturbe le contrôle de la position du poinçon. Ainsi, les efforts que l'on peut appliquer sur la tôle à former sont limités par la rigidité du bras robotisé avec lequel on forme la tôle, et d'autant plus limités que la tôle est épaisse. Des problématiques similaires émergent lorsqu'on utilise une machine à commande numérique pour réaliser un formage incrémental.
Il a cependant été découvert qu'en faisant vibrer le poinçon à des fréquences de l'ordre de du kilohertz jusqu'au domaine des ultrasons de basses fréquences, on adoucit localement le matériau de la tôle, le rendant plus ductile, ce par quoi les efforts nécessaires pour la déformer sont amoindris. Le retour élastique de la tôle est alors également diminué. On peut ainsi, à l'aide de ces vibrations, former des tôles plus épaisses et/ou avoir recours à un bras robotisé de plus petites dimensions. Les vibrations sont classiquement générées par un actionneur piézoélectrique.
Plus précisément, lorsque les vibrations sont dans une direction normale à la tôle (i.e. perpendiculaires à la tôle au niveau du contact poinçon-tôle), ces vibrations longitudinales activeraient un mouvement de dislocations et leur propagation au sein du matériau, d'où, potentiellement, l'adoucissement observé. Les vibrations transverses (c'est-à-dire perpendiculaires aux vibrations normales) diminuent les frottements entre la tôle et le poinçon, ce qui diminue également les efforts que le bras robotisé doit produire pour réaliser le formage incrémental. Ces vibrations transverses limitent en outre le phénomène de « stick-slip » (ou glisser-coller en français), ce qui améliore également la qualité du pilotage du déplacement de l'outil, ainsi que l'état de surface de la tôle ainsi formée.
Les vibrations normales et transverses à la tôle produisent ainsi des effets complémentaires qui diminuent grandement les efforts nécessaires pour réaliser un formage incrémental. Cependant, la génération de ces vibrations dans les trois directions (une normale et deux transverses) n'est pas chose aisée.
On connaît l'article Kurniawan, R., Ali, S., Park, K. M., Li, C. P., & Ko, T. J. (2019). Development of a three-dimensional ultrasonic elliptical vibration transducer (3D-UEVT) based on sandwiched piezoelectric actuator for micro-grooving. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, 20(7), 1229-1240, qui décrit un outil de perçage comprenant un empilement d'actionneurs piézoélectriques placé au centre du corps l'outil de formage. Chacun des actionneurs de cet empilement peut vibrer dans l'une des trois directions, en fonction de la commande électrique qu'il reçoit. Les vibrations produites par les actionneurs sont propagées par le corps d'outil jusqu'au foret. Ainsi, ce foret est apte à vibrer dans les trois directions.
On connaît également l'article Gao, J., & Altintas, Y. (2019). Development of a three-degree- of-freedom ultrasonic vibration tool holder for milling and drilling. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 24(3), 1238-1247. Ce deuxième article décrit un outil d'usinage jouant sur une excitation elliptique d'un empilement d'actionneurs pour coupler des modes vibratoires.
Cependant, ces solutions ne donnent pas satisfaction. En premier lieu, cela nécessite la mise en oeuvre de plusieurs actionneurs (sous la forme d'empilements), donc d'une multitude d'alimentations électriques à piloter. En outre, étant donné qu'il y a plusieurs actionneurs, chaque actionneur est plus petit (pour respecter une certaine limite d'encombrement), et peut donc produire des vibrations moins puissantes. Enfin, en pratique ces solutions sont difficiles à piloter, car les multiples actionneurs interfèrent avec l'outil et il n'est pas aisé de piloter individuellement les modes de vibration pour produire les vibrations souhaitées.
Par ailleurs, ces solutions concernent l'usinage et le perçage, des domaines bien différents du formage incrémental.
Il existe un besoin d'une solution pour faire vibrer un poinçon de manière multidirectionnelle qui ne présente pas les défauts de l'art antérieur, notamment en termes de simplicité de mise en oeuvre, d'encombrement et de facilité de pilotage.
L'invention vient améliorer la situation.
3. Exposé de l'invention
L'invention a été conçue pour pallier au moins certains des inconvénients de l'art antérieur.
A cette fin, l'invention propose un outil de formage incrémental, caractérisé en ce qu'il comprend : un corps d'outil ; une tête d'outil, solidaire du corps et terminée par un poinçon à son extrémité ; un logement ménagé au sein du corps ; un actionneur, prenant place dans le logement et apte à produire une vibration selon une première direction pouvant se propager jusqu'au poinçon ; au moins un moyen de transformation de la première direction de la vibration en une deuxième direction de la vibration, durant sa propagation jusqu'au poinçon. Ainsi, grâce à ce moyen de transformation, l'outil est en mesure de transformer une vibration produite par un actionneur unidirectionnel (selon la première direction) en une vibration multidirectionnelle ou au moins selon la deuxième direction. Par exemple, l'outil est en mesure, à partir d'un actionneur produisant une vibration axiale (i.e. dans un axe principal du corps, aussi appelé direction axiale ou direction longitudinale), de produire une vibration transverse, c'est-à- dire orthogonal à cet axe principal, au niveau du poinçon. L'actionneur peut ainsi être un actionneur unidirectionnel sans que cela n'empêche l'outil de vibrer dans plusieurs directions (dont une transverse et une axiale). L'actionneur est par exemple un actionneur piézoélectrique. Durant un processus de formage incrémental, le poinçon est apte à vibrer dans les directions normale et transverses à la tôle (i.e. dans l'axe principal du corps d'outil et dans une ou plusieurs directions orthogonales à cet axe principal, respectivement). La tôle est ainsi localement adoucie, et les frottements entre la tête d'outil et la tôle sont amoindris. Le retour élastique de la tôle sur l'outil est par conséquent diminué. Comme les efforts pour former la tôle sont amoindris, le retour élastique du bras est également diminué.
L'actionneur peut exciter la tête d'outil et la faire vibrer en lui imposant une force vibratoire pour obtenir, à certaines fréquences, un effort vibratoire important au niveau du poinçon par effet de résonance structurelle, notamment lorsque le poinçon est au contact d'une tôle.
On obtient ainsi un gain côté machine (c'est-à-dire une plus petite taille du bras robotisé ou de la machine à commande numérique supportant l'outil) mais également côté qualité de la pièce formée, puisque le retour élastique moindre et la diminution des frottements induisent un meilleur état de surface de la pièce après formage.
Selon un aspect, ledit au moins un moyen de transformation comprend au moins une portion non-axisymétrique par rapport à un axe principal dudit outil.
Ainsi, l'outil présente une forme générale axisymétrique, ce qui améliore ses propriétés vibratoires, notamment en séparant les modes vibratoires du poinçon par rapport à un outil dont la forme serait particulièrement dissymétrique. Cela permet en outre d'intégrer le moyen de transformation à un outil préexistant, en modifiant partiellement son caractère axisymétrique.
Selon un aspect, le moyen de transformation de la direction de la vibration est agencé de sorte qu'une vibration unidirectionnelle parallèle à un axe principal dudit outil et produite par l'actionneur entraîne la production d'une vibration du poinçon dans au moins une direction orthogonale à l'axe principal.
Le fait de pouvoir faire vibrer le poinçon dans plusieurs directions à partir d'une vibration unidirectionnelle grâce au moyen de transformation permet en outre de mettre en oeuvre un actionneur unique et unidirectionnel, donc un actionneur plus puissant. L'outil peut donc être de plus petite taille à puissance d'actionneur équivalente, puisque les effets de moindre ductilité et de moindres frottements sont d'autant plus importants que la vibration est de forte amplitude.
Afin de générer une vibration transverse du poinçon qui soit contrôlable, le corps ou/et la tête (en particulier la portion non axisymétrique du moyen de transformation) peuvent être judicieusement dimensionné(s), de sorte qu'une vibration unidirectionnelle donnée de l'actionneur à une fréquence donnée délivre une vibration transverse donnée de la tête d'outil. Il est ainsi non seulement possible de générer une vibration multidirectionnelle de la tête d'outil à l'aide d'un actionneur unidirectionnel, mais également de la contrôler avec précision.
Cet outil d'un genre nouveau autorise ainsi le formage incrémental à l'aide d'un bras robotisé ou une machine à commande numérique (plus généralement toute machine supportant l'outil) de plus petite dimension que ceux usuellement mis en oeuvre, puisque le retour élastique est moindre. Cela permet alternativement de former des tôles plus grandes et/ou plus épaisses avec un même bras robotisé. Enfin, les frottements sont moindres, ce qui limite l'effet stick-slip. Cela améliore par conséquent la qualité de l'asservissement en position de la tête d'outil, et l'état de surface de la tôle une fois formée.
Selon un aspect, le logement est désaxé par rapport à un axe principal du corps, constituant au moins partiellement ladite portion non-axisymétrique.
Selon un aspect, l'axe de fixation de l'actionneur au sein du logement est désaxé par rapport à un axe principal dudit outil, constituant au moins partiellement ladite portion non-axisymétrique.
Selon un aspect, l'actionneur est installé au sein du corps de manière sensiblement désaxée par rapport à un axe principal du corps, constituant au moins partiellement ladite portion non- axisymétrique.
Grâce au désaxage du logement et/ou de l'actionneur, la vibration parallèle induite par un actionneur unidirectionnel monté dans le logement provoque une vibration transverse à l'axe principal du corps d'outil. En dimensionnant avec précision ce désaxage, on peut alors déterminer la fonction de transfert entre la vibration dans l'axe Z (direction axiale) et la vibration dans les directions X, Y et Z (respectivement transverse radiale, transverse tangentielle et axiale). Cela peut être par exemple réalisé à l'aide d'une simulation (par exemple une analyse numérique par la méthode des éléments finis) à partir d'un modèle de l'outil obtenu par une conception assistée par ordinateur (CAO). En connaissant bien cette fonction de transfert, il est possible de piloter les vibrations du poinçon à partir du contrôle en fréquence de l'alimentation de l'actionneur (i.e. de la vibration unidirectionnelle qu'il produit dans le logement). Selon un aspect, le corps comprend un ajout de matière non axisymétrique par rapport à un axe principal du corps, ledit ajout constituant au moins partiellement ladite portion non- axisymétrique.
Ainsi, un ajout de matière permet de contribuer à la propagation de la vibration dans une direction non axiale. Il est à noter que cet ajout de matière non axisymétrique peut remplir une fonction tierce, comme jouer le rôle de détrompeur dans l'assemblage de l'outil, permettre de fixer des moyens d'alimentation ou des capteurs à l'outil, etc. ce qui permet un gain de place en mutualisant les fonctions au sein de cet ajout.
Selon un aspect, le corps comprend au moins un évidement non axisymétrique par rapport à un axe principal du corps, ledit au moins un évidement étant ménagé au sein du corps et constituant au moins partiellement ladite portion non-axisymétrique.
Ici, l'évidement permet de contribuer à la propagation de la vibration dans une direction non axiale. Il est à noter que cet évidement non axisymétrique peut remplir une fonction tierce, comme permettre un accès à des parties de l'outil, jouer un rôle de détrompeur, loger des moyens d'alimentation ou des capteurs, etc. ce qui permet un gain de place en mutualisant les fonctions au sein de cet évidement.
Selon un aspect, l'évidement comprend au moins un perçage ménagé dans le corps et formant un accès au logement depuis l'extérieur du corps.
Ce perçage remplit un double rôle : celui de contribuer à la non-axisymétrie de l'outil et d'aider à alimenter l'actionneur en permettant d'accéder au logement (pour y faire passer des câbles d'alimentation électrique). Cela induit un gain de place, en plus de la génération d'une vibration transverse au niveau du poinçon.
Il est à noter que la dissymétrie induite par un enlèvement ou un ajout de matière ou un perçage n'est pas incompatible avec un désaxage du logement et/ou de l'actionneur. Au contraire, ces deux caractéristiques particulières peuvent se combiner et amplifier la dissymétrie de la pièce, ce par quoi la génération d'une vibration transverse en est améliorée.
Selon un aspect, l'outil comprend en outre une ou plusieurs cales installées dans le logement de sorte à exercer une précontrainte sur l'actionneur (notamment lorsque l'outil est en fonctionnement et en l'absence de vibrations de l'actionneur).
Selon cet exemple, la compression de l'actionneur à l'aide d'une cale (ou d'un jeu de cales) induit une précontrainte, c'est-à-dire une force (ou précharge) appliquée sur l'actionneur en l'absence d'action spécifique (comme par exemple l'alimentation de l'actionneur). La précontrainte améliore drastiquement le transfert énergétique entre l'actionneur et le corps d'outil (donc le gain de la fonction de transfert décrite ci-avant). La précontrainte augmente en outre le transfert de la vibration produite par l'actionneur au reste de l'outil.
Selon un aspect, le poinçon est apte à vibrer selon au moins un mode de résonance en réaction à une vibration générée par l'actionneur selon un axe principal, et l'outil présente au moins une fréquence de résonance pour ledit mode de vibration pour la fonction de transfert définie par le rapport entre l'amplitude d'une vibration du poinçon selon le mode de vibration et l'amplitude de la vibration de l'actionneur parallèlement à l'axe principal, ladite fréquence de résonance étant comprise entre 5 kHz et 30 kHz.
La fonction de transfert présente une résonance. Cette résonance permet avantageusement d'améliorer le transfert énergétique, et donc d'augmenter l'amplitude de la vibration du poinçon. L'adoucissement d'une tôle à former en est augmenté, et les efforts pour former cette tôle s'en trouvent réduits.
L'obtention de cette résonance résulte d'un dimensionnement de l'outil, en particulier de sa portion non axisymétrique, judicieusement choisi. Cela peut être réalisé à l'aide d'une simulation pendant une conception assistée par ordinateur, ou de manière empirique, l'important étant que l'on obtienne à la fin une fréquence de résonance pour le ou les modes voulus.
Selon un aspect, le mode de vibration appartient au groupe comprenant une vibration parallèle à l'axe principal, une vibration orthogonale à l'axe principal et parallèle à une direction de désaxage de la portion non axisymétrique, une vibration orthogonale à l'axe principal et à la direction de désaxage de la portion non axisymétrique, et une combinaison de celles-ci.
La direction orthogonale à l'axe principal et parallèle à une direction de désaxage de la portion non axisymétrique (typiquement le désaxage de l'actionneur et/ou du logement, ou la direction de désaxage d'un perçage ou d'un ajout de matière) est la direction transverse radiale (axe X). La direction orthogonale à l'axe principal et à la direction de désaxage de la portion non axisymétrique est la direction transverse tangentielle (axe Y). La ou les combinaisons possibles de ces trois directions X, Y et Z est appelée mode(s) couplé(s).
Le fait que le poinçon puisse vibrer selon un mode axial, un mode radial, un mode tangentiel ou un mode couplé permet d'obtenir différents effets sur la tôle que l'on adoucit à l'aide des vibrations. En particulier, des efforts engendrés par les vibrations transverses diminuent les frottements au contact entre la tôle et le poinçon pendant le formage, car les vibrations axiales activeraient des dislocations de la tôle au niveau microscopique, ce qui adoucirait la tôle. Les différents modes couplés (notamment axial/radial et axial/tangentiel), quant à eux, permettraient de combiner ces effets. Par ailleurs, les modes couplés permettent d'anticiper la variation de la trajectoire du poinçon, et donc de maintenir la direction transverse de la vibration du poinçon colinéaire à la direction d'avance de l'outil, ce qui améliore d'autant la réduction des frottements poinçon/tôle. Dit autrement, on peut commander la direction de la vibration transverse de l'outil pour qu'elle soit tangente au déplacement du poinçon. Ces modes de vibration peuvent être en outre simples, doubles ou triples, c'est-à-dire induire une flexion de la tête d'outil simple, double ou triple, respectivement.
4. Brève description des dessins
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un exemple de réalisation particulier, donné à titre de simple exemple illustratif et non limitatif, et des dessins annexés, parmi lesquels :
[Fig. 1] représente une vue en perspective d'un outil selon un exemple de mise en oeuvre de l'invention ;
[Fig. 2] représente une vue en perspective du dessous de l'outil de la figure 1 ;
[Fig. 3] représente une vue en coupe de dessus de l'outil de la figure 1 ;
[Fig- 4] représente une vue en coupe de côté de l'outil selon le plan IV-IV de la figure 3 ;
[Fig. 5] représente une vue de côté de l'outil de la figure 1 ;
[Fig. 6] représente une vue du détail VI de la figure 4 selon un autre exemple de réalisation de l'invention ;
[Fig. 7] représente un éclaté de l'outil de la figure 1 ;
[Fig. 8] représente une variante de tête d'outil de l'outil de la figure 1 ;
[Fig. 9] représente une réponse Séquentielle de l'outil de la figure 1 dans les trois directions ; et
[Fig. 10] représente le détail IX de la figure 9.
5. Description détaillée
5.1 Principe général
Comme explicité précédemment, le principe général de la divulgation consiste à produire des vibrations dans la direction souhaitée en modifiant la structure de l'outil de formage et notamment en disposant, au sein de l'outil, de moyens de transformation des vibrations produites par l'actionneur. Cet aspect apparait clairement à la description des figures suivantes qui représentent un des exemples de réalisation. Les vibrations sont produites à une ou plusieurs fréquences données. Par vibration, on désigne dans la présente demande une onde mécanique selon une certaine fréquence (ou une pluralité de fréquences superposées) au sein du milieu dans lequel la vibration se propage. Cette vibration peut s'observer sous la forme d'un effort vibrant (par exemple au niveau de l'actionneur monté dans le logement) ou sous la forme d'un déplacement vibratoire (ou oscillations, par exemple observables au niveau du poinçon lorsque celui-ci est libre, c'est-à-dire sans être au contact d'une tôle). Cette vibration se manifeste aussi physiquement sous la forme d'une énergie vibratoire, c'est-à-dire de la combinaison d'un effort vibratoire et d'un déplacement vibratoire.
On décrit, en référence aux figures 1 à 5, un outil 1 de formage selon l'invention. L'outil 1 comprend un corps d'outil 2, une tête d'outil 3 et un actionneur 4. Le corps d'outil 2 et la tête d'outil 3 sont fixés l'un sur l'autre. L'actionneur 4 est logé dans le corps d'outil 2 et/ou la tête d'outil 3.
Le corps d'outil 2 et la tête d'outil 3 peuvent être en acier (mais pas nécessairement le même acier). Le corps d'outil 2 et la tête d'outil 3 peuvent être plus généralement dans toute matière apte à présenter une tenue mécanique adaptée aux efforts de formage induits par le procédé de formage incrémental.
Le corps d'outil est de forme générale axisymétrique autour d'un axe principal 20, lequel définit une première direction Z appelée direction axiale. On définit, pour le reste de la présente description, deux directions orthogonales X et Y à la direction Z et entre elles. Les directions X, Y et Z forment un repère orthonormé (X, Y, Z), représenté figure 4.
La tête d'outil 3 comprend un poinçon 30 à l'une de ses extrémités. Le poinçon est destiné à venir en contact contre une tôle lors d'un procédé de formage incrémental.
Dans l'exemple décrit ici, la tête d'outil 3 forme le poinçon 30 à une extrémité, et est reliée (fixée) au corps d'outil 2 à une extrémité opposée. Le poinçon 30 forme une pointe de la tête d'outil 3. Le poinçon 30 peut être de forme hémisphérique, ce qui permet de faire varier l'angle de contact avec la tôle de manière continue. La tête d'outil 3 comprend en outre une base 32 via laquelle la tête d'outil 3 est fixée au corps d'outil 2. La base 32 et le poinçon 30 sont reliés entre eux par un tronçon 34. Le poinçon 30 et le tronçon 34 peuvent ainsi former un doigt faisant saillie de la base 32. La tête d'outil 3 est ici de forme sensiblement axisymétrique. La tête d'outil 3 présente un profil qui s'effile de la base 32 au poinçon 30. Ici, le tronçon de la tête d'outil 3 est de section sensiblement progressive, sans angle vif, entre la base 32 et le poinçon 30, de sorte à améliorer les propriétés mécaniques de la pièce que forme la tête d'outil 3. Cela permet en outre de limiter l'encombrement général de l'outil, ce qui permet d'obtenir des formes plus variées. Le caractère élancé de la tête d'outil 3 (i.e. sa forme de doigt) permet notamment de former des pièces concaves avec un angle de tôle résultante plus marqué et davantage de profondeur.
Dans les exemples décrits ici, la tête d'outil 3 et le corps d'outil 2 sont décrits comme des pièces séparées, et sont fixées ensemble par exemple à l'aide de vis. En variante, la tête d'outil 3 et le corps d'outil 2 peuvent être d'un seul tenant, l'accès à un intérieur du corps d'outil 2 se faisant par l'extrémité opposée à la tête d'outil 2. Le corps d'outil 2 forme en son intérieur un logement 22, visible notamment figure 4. Le logement 22 est apte à recevoir l'actionneur 4. La tête d'outil 3 peut fermer une première extrémité du logement 22, aussi appelée extrémité proximale, comme cela est visible sur la figure 4. En variante, cette première extrémité du logement 22 (proche du poinçon) peut être fermée par le corps d'outil 2 lui-même. L'outil 1 peut comprendre un couvercle 24, fixé au corps d'outil 2, et fermant une deuxième extrémité (aussi appelée extrémité distale du logement 22, car éloignée du poinçon) du logement 22. En variante, le corps d'outil 2 lui-même peut fermer cette deuxième extrémité.
L'actionneur 4 est installé dans le logement 22. L'actionneur 4 peut comprendre une interface d'actionneur 42 apte à le commander. L'actionneur 4 est apte à générer des vibrations. Les vibrations que produit l'actionneur 4 se propagent dans tout l'outil 1, et en particulier jusqu'au poinçon 30. L'actionneur 4 est apte à vibrer dans la direction Z, c'est-à-dire parallèlement à l'axe principal 20. Lorsque l'actionneur 4 vibre, il génère une vibration qui peut se propager au reste de l'outil 1. L'actionneur 4 peut être unidirectionnel, c'est-à-dire apte à vibrer spécifiquement dans la direction Z.
L'outil 1 comprend un moyen de transformation de la direction des vibrations, ci-après appelé moyen de transformation. Le moyen de transformation est apte à modifier la direction des vibrations durant leur propagation de l'actionneur 4 dans le logement 22 jusqu'au poinçon 30.
Le moyen de transformation comprend une portion non axisymétrique de l'outil par rapport à l'axe principal 20. En d'autres termes, le moyen de transformation comprend au moins une portion (ou élément) non-axisymétrique par rapport à cet axe principal 20.
Cette portion non axisymétrique de l'outil 1 peut comprendre l'actionneur 4 lui-même, désaxé par rapport à l'axe principal 20 selon un désaxage d'actionneur 40, visible figure 4. Ici, le logement 22 est axisymétrique par rapport à l'axe principal 20 du corps d'outil 2 et l'actionneur 4 est monté décentré dans le logement 22. En variante, le logement 22 peut être désaxé par rapport à l'axe principal 20 et l'actionneur 4 logé centré dans le logement 22 (cela induisant le désaxage 40). Il est possible de combiner un désaxage du logement 22 et un montage décentré de l'actionneur 4 dans le logement 22.
La dissymétrie induite par le désaxage de l'actionneur 4 (que cela soit en le plaçant de manière désaxée dans un logement 22 symétrique ou en ayant un logement 22 lui-même désaxé) permet de transformer des vibrations axiales de l'actionneur 4 en des vibrations transverses au niveau du poinçon 30. Ces vibrations transverses se produisent notamment pour des fréquences particulières des vibrations correspondant à des modes de flexion de l'outil. L'actionneur peut ainsi être unidirectionnel tout en ayant un poinçon apte à vibrer de manière axiale et transverse. Dans l'exemple représenté figures 3 et 4, l'actionneur 4 est fixé à la tête d'outil 3 par un perçage 46 formé dans la tête d'outil 3, dans l'axe de l'actionneur 4 mais désaxé par rapport au corps d'outil 2 et à la tête d'outil 3.
Comme l'actionneur peut être unidirectionnel, cet actionneur peut être nettement plus puissant qu'un actionneur multidimensionnel (par exemple une pile d'actionneurs piézoélectriques de petite taille, chaque couche de la pile pouvant vibrer dans une direction qui lui est propre). L'amplitude des vibrations au niveau du poinçon 30 en est alors bien supérieure, ce qui autorise un formage incrémental de meilleure qualité (état de surface) et sur des tôles plus épaisses, à taille d'outil et de machine supportant l'outil équivalents.
Le corps d'outil 2 peut comprendre au moins un perçage 44 ; sur la figure 1, le corps d'outil 2 comprend deux perçages. Le perçage 44 est ménagé dans une paroi latérale du corps d'outil 2, et débouche dans le logement 22. Lorsqu'il y a plusieurs perçages 44, ces perçages 44 peuvent ne pas être équirépartis sur le corps d'outil 2, de sorte à contribuer à la dissymétrie du corps d'outil 2, et donc de l'outil 1. Le perçage 44 permet, outre la dissymétrie, un accès à l'intérieur du logement 22 de sorte à pouvoir alimenter l'actionneur 4. Le perçage 44 peut aussi être ménagé dans la tête d'outil 3 ou dans le couvercle 24 pour permettre l'accès au logement 22. L'aspect dissymétrique des perçages 44 est particulièrement visible figure 3, où il apparaît clairement qu'ils ne sont formés que d'un côté de l'outil. Le perçage permet en outre de dissiper la chaleur produite par l'actionneur en fonctionnement.
Alternativement ou en combinaison au perçage 44, on peut ménager un évidement de matière dans le corps d'outil 2 produisant lui aussi une dissymétrie du corps d'outil 2, du couvercle 24 ou de la tête d'outil 3.
5.2 Fonction de transfert
Les différentes pièces de l'outil 1, en particulier le corps d'outil 2, la tête d'outil 3 et l'actionneur 4, peuvent être soigneusement dimensionnées de sorte à non seulement provoquer la transformation de la direction de la vibration (lorsqu'elle se propage de l'actionneur 4 logé dans le corps d'outil 2 jusqu'au poinçon 30), mais également de sorte à connaître précisément la nature (amplitude, fréquence) de la vibration du poinçon 30 en fonction des vibrations de l'actionneur 4. La fréquence des vibrations de l'outil correspond à la fréquence d'excitation de l'actionneur. L'excitation du système dans un mode donné (i.e. à une fréquence donnée) ne provoque pas d'excitation des autres modes.
Ce dimensionnement peut être le fruit d'une simulation informatique, par exemple dans le cadre d'une conception assistée par ordinateur. Il est également possible de remplacer ou compléter cette simulation par des mesures empiriques sur un prototype d'outil. Les inventeurs, dans le cadre du développement de la présente invention, ont ainsi pu combiner ces deux méthodes (simulation et expérience) pour obtenir un outil dont les propriétés vibratoires donnent satisfaction, en matière de contrôle des vibrations notamment.
La mesure de la vibration du poinçon peut être réalisée à l'aide d'un vibromètre laser dont la réflexion sur le poinçon permet de déterminer le déplacement dudit poinçon, donc ses vibrations. On peut observer cette mesure de vibration du poinçon en commandant l'actionneur et en générant un balayage fréquentiel de l'excitation de l'actionneur par une commande sinusoïdale et en observant la réponse vibrante du poinçon. La fréquence du balayage (i.e. de la commande sinusoïdale) peut évoluer de manière linéaire ou logarithmique).
Par exemple, on réalise tout d'abord un balayage en fréquence rapide sur tout le spectre (par exemple de 1 kHz à 22 kHz), puis on récupère la fréquence pour laquelle le gain entre le déplacement mesuré en bout d'outil par un vibromètre laser (ou l'accélération par un accéléromètre) et la tension d'alimentation de l'actionneur (image de la force) est maximal, et qui a donc le plus de chances d'être proche d'une fréquence de résonance (i.e. d'un mode propre de l'outil).
On effectue ensuite un deuxième balayage fréquentiel, plus fin, autour de la ou les fréquences maximales obtenues plus haut, ce qui permet d'obtenir un profil précis du gain au voisinage de la ou les fréquences de résonance.
Les vibrations du poinçon 30 peuvent être selon plusieurs modes de vibration : des modes unidirectionnels (axial Z, radial X ou tangentiel Y), ou couplés ((X,Z), (X,Y) ou (Y, Z), ou (X,Y,Z)).
Pour un mode donné, il est possible de déterminer (par expérience et/ou simulation) la fonction de transfert associée, c'est-à-dire la fonction prenant en entrée la vibration de l'actionneur 4 dans la direction Z (amplitude, fréquence) et en sortie la vibration du poinçon 30 dans ce mode donné (amplitude, fréquence).
L'outil 1 dans son ensemble est en outre dimensionné de sorte que pour au moins un mode de vibration, sa fonction de transfert associée comprend une fréquence de résonance comprise entre 5 et 30 kHz. Il peut y avoir plusieurs fréquences de résonance pour une fonction de transfert d'un mode donné, c'est-à-dire plusieurs pics dans lesquels le transfert énergétique de l'actionneur 4 au poinçon 30 est maximal (au moins localement).
Dans certains exemples de réalisation, l'outil 1 présente plusieurs fonctions de transfert ayant chacune une résonance qui lui est propre dans le domaine 5-30 kHz. Ces résonances peuvent être disjointes, c'est-à-dire que lorsqu'on se place à une fréquence donnée pour laquelle il y a résonance dans un mode donné, il n'y a pas de résonance dans un autre mode. Si la fréquence d'excitation ne correspond pas à la fréquence spécifique d'un mode, alors la réponse vibratoire du poinçon est une combinaison linéaire de tous les modes propres. Cela offre la possibilité de contrôler précisément quel mode de résonance privilégier pour un processus de formage incrémental donné.
5.3 Précontrainte
Il est maintenant fait référence à la figure 6 et à la figure 7.
Dans cet exemple de réalisation, l'outil 1 comprend en outre une cale 46 (ou un jeu de cales) logé dans le prolongement de l'actionneur dans la direction Z. La cale 46 exerce sur l'actionneur 4 une précontrainte lorsque le logement 22 est fermé. La cale 46 peut être dimensionnée par une chaîne de cotes adaptées, par exemple une chaîne de cote concernant le corps 3, la tête 2 et le couvercle 24 formant ensemble les parois du logement 22.
La cale 46 peut être logée dans un évidement 48 formé dans le couvercle 24 dans le prolongement du logement 22. Ici, la cale 46 est logée côté couvercle 24, mais la cale 46 pourrait être disposée côté tête d'outil 3. Dans le cas d'un jeu de cales 46, une partie du jeu de cales 46 peut être côté couvercle 24 et une autre partie côté tête d'outil 3. Ici, la cale 46 côté couvercle 24 prend en sandwich l'interface 42 avec l'actionneur 4.
Dans l'exemple visible figure 7, le jeu de cales comprend une cale de grande épaisseur et trois cales de plus petite épaisseur.
La cale 46 réduit de manière précise la longueur du logement 22 dans lequel l'actionneur 4 est logé. Ainsi, la cale 46 exerce une précontrainte sur l'actionneur 4. Cette précontrainte lorsqu'elle est suffisante augmente considérablement le rendement du transfert énergétique entre l'actionneur 4 et le reste de l'outil 1. Les inventeurs ont estimé qu'une précontrainte de l'ordre de 80 à 85 kN est optimale pour un prototype mis au point, afin de maximiser le transfert énergétique sans détériorer l'actionneur 4. Plus généralement, la précontrainte est de l'ordre de quelques dizaines de kN à quelques centaines de kN selon les dimensions du prototype. Cette précontrainte peut en outre être réglée en serrant les vis 32 à un certain couple (par exemple avec une clef dynamométrique) pour assurer un contrôle de l'effort de serrage des vis.
5.4 Tête non axisymétrique
Dans un exemple de réalisation, la tête 3 est non axisymétrique par rapport à l'axe principal 20. Dans l'exemple représenté figure 8, le poinçon 30 est désaxé par rapport à l'axe principal 20. La base 32 de la tête 3 est sensiblement axisymétrique par rapport à l'axe principal 20.
La dissymétrie de la tête 3 entraîne le fait que la tête 3 vibre de manière non axisymétrique lorsque l'actionneur 4 produit des vibrations selon l'axe principal 20. Le poinçon 30 peut ainsi vibrer de manière transverse (radiale X ou tangentielle Y). Cela permet avantageusement d'installer une tête 3 non axisymétrique sur un outil préexistant et axisymétrique. Le poinçon 30 est relié à la base 32 par un tronçon 34 dont la section s'affine d'autant plus qu'elle est proche du poinçon 30. Le tronçon 34 présente un profil lisse, sans arrête ni angle.
La dissymétrie de la tête 3 est compatible avec les autres portions non-axisymétrique décrites ci-avant pour constituer le moyen de transformation.
5.5. Exemple de fonction de transfert
Il est maintenant fait référence à la figure 9, qui représente une réponse fréquentielle de l'outil 1, ou en d'autres termes la fonction de transfert de cet outil 1.
La figure 9 comprend trois graphes, représentant chacun une réponse fréquentielle du poinçon 30 (i.e. l'amplitude de la vibration produit au poinçon) selon la fréquence d'excitation de l'actionneur, respectivement dans la direction X, Y et Z (de haut en bas).
Les fréquences étudiées ici varient entre 4 kHz à 16 kHz, et l'abscisse (qui représente la fréquence) est en échelle linéaire. Le gain étudié (i.e. le rapport amplitude de la vibration du poinçon sur amplitude de la vibration générée par l'actionneur) est mesuré en dB.
Dans cet exemple, la fonction de transfert présente : un mode couplé (X, Y) autour de 4,5 kHz (avec un gain sensiblement supérieur dans la direction Y comparé à la direction X), un mode couplé (X, Y, Z) autour de 14 kHz, et un mode propre selon la direction X autour de 7,5 kHz.
En regardant plus précisément la fonction de transfert autour de 14 kHz, cf. la figure 10 qui montre cette fonction de transfert selon les axes X, Y et Z autour de 14 kHz, on observe qu'en réalité, la fonction de transfert présente deux modes propres très voisins autour de 14 kHz : un premier mode couplé 100 vers 14,2 kHz qui correspond à un pic de résonance dans les trois directions X, Y et Z, et un deuxième mode propre 102 dans la direction Y vers 14 kHz. Dans ce deuxième mode de résonnance 102les réponses fréquentielles en X et Z présentent toutes les deux un creux très marqué (et donc le poinçon ne vibre pas ; ce phénomène étant qualifié d'anti-résonnance et étant plus marqué dans la direction Z), tandis que la réponse fréquentielle en Y est proche du pic de résonance. La réponse fréquentielle du poinçon est donc ici particulièrement « pure » dans la direction Y (dit autrement, le poinçon ne vibre pas dans les directions X et Z).
La fonction de transfert présente en outre un troisième mode 104 très proche du premier mode 100.
Ainsi, dans cet exemple, l'outil présente des modes de vibration simples (par ex. à 14 kHz dans la direction Y ou à 7,5 kHz dans la direction X) et couplés (en X, Y et en X, Y, Z). Comme la fonction de transfert est linéaire, il est possible d'exciter chacun de ces modes de manière indépendante, grâce à une superposition de fréquences dans l'excitation de l'actionneur 4. On peut ainsi piloter finement la vibration produite par le poinçon 30 en jouant sur la commande de l'actionneur 4, tout en conservant un actionneur 4 unidirectionnel.

Claims

Revendications Outil (1) de formage incrémental, caractérisé en ce qu'il comprend : un corps (2) d'outil ; une tête (3) d'outil, solidaire du corps (1) et comprenant un poinçon (30) ; un logement (22) ménagé au sein du corps (2) ; un actionneur (4), prenant place dans le logement (22) et apte à produire une vibration selon une première direction pouvant se propager jusqu'au poinçon (30) ; au moins un moyen de transformation (4, 22, 3) de la première direction de la vibration en une deuxième direction de la vibration, durant sa propagation jusqu'au poinçon (30). Outil de formage selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit au moins un moyen de transformation comprend au moins une portion non-axisymétrique par rapport à un axe principal (20) dudit outil (1). Outil de formage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de transformation de la direction de la vibration est agencé de sorte qu'une vibration unidirectionnelle parallèle à un axe principal (20) dudit outil (1) et produite par l'actionneur (4) entraîne une vibration du poinçon (30) dans au moins une direction orthogonale à l'axe principal (20). Outil de formage selon la revendication 2, caractérisé en ce que le logement (22) est désaxé par rapport audit axe principal (20) dudit outil (1), constituant au moins partiellement ladite portion non-axisymétrique . Outil de formage selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'axe de fixation de l'actionneur au sein du logement (22) est désaxé par rapport à un axe principal (20) dudit outil
(1), constituant au moins partiellement ladite portion non-axisymétrique. Outil de formage selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'actionneur (4) est installé au sein du corps de manière sensiblement désaxée par rapport à un axe principal (20) du corps
(2), constituant au moins partiellement ladite portion non-axisymétrique.
7. Outil de formage selon la revendication 2, caractérisé en ce que le corps (2) comprend un ajout de matière non axisymétrique par rapport à un axe principal du corps, ledit ajout constituant au moins partiellement ladite portion non-axisymétrique.
8. Outil de formage selon la revendication 2, caractérisé en ce que le corps (2) comprend au moins un évidement (44) non axisymétrique par rapport à un axe principal du corps (2), ledit au moins un évidement (44) étant ménagé au sein du corps (2) et constituant au moins partiellement ladite portion non-axisymétrique.
9. Outil selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'évidement (44) comprend au moins un perçage (44) ménagé au sein du corps (2) et formant un accès au logement (22) depuis l'extérieur du corps (2).
10. Outil de formage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une ou plusieurs cales (46) installées au sein du logement (22) de sorte à exercer une précontrainte mécanique sur l'actionneur (4).
11. Outil de formage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le poinçon (30) est apte à vibrer selon au moins un mode de résonance en réaction à une vibration générée par l'actionneur (4) selon un axe principal (20), et caractérisé en ce que l'outil (2) présente au moins une fréquence de résonance pour ledit mode de vibration pour la fonction de transfert définie par le rapport entre l'amplitude de la vibration du poinçon (30) selon le mode de vibration et l'amplitude de la vibration de l'actionneur (4) parallèlement à l'axe principal (20), ladite fréquence de résonance étant comprise entre 5 kHz et 30 kHz.
12. Outil selon la revendication 11, caractérisé en ce que le mode de vibration appartient au groupe comprenant : une vibration parallèle à l'axe principal (20), une vibration orthogonale à l'axe principal (20) et parallèle à une direction de désaxage (40) d'une portion non axisymétrique dudit outil, une vibration orthogonale à l'axe principal (20) et à la direction de désaxage (40) d'une portion non axisymétrique dudit outil (1), et une combinaison de celles-ci.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20170028458A1 (en) * 2015-07-28 2017-02-02 Ford Global Technologies, Llc Vibration Assisted Free Form Fabrication
CN209792385U (zh) * 2019-04-18 2019-12-17 福州大学 单点渐进成形用振动工具头
CN212634025U (zh) * 2020-07-04 2021-03-02 福州大学 热振联合渐进成形工具头
CN215199228U (zh) * 2020-12-17 2021-12-17 广东华中科技大学工业技术研究院 一种超声辅助无模成形机

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20170028458A1 (en) * 2015-07-28 2017-02-02 Ford Global Technologies, Llc Vibration Assisted Free Form Fabrication
CN209792385U (zh) * 2019-04-18 2019-12-17 福州大学 单点渐进成形用振动工具头
CN212634025U (zh) * 2020-07-04 2021-03-02 福州大学 热振联合渐进成形工具头
CN215199228U (zh) * 2020-12-17 2021-12-17 广东华中科技大学工业技术研究院 一种超声辅助无模成形机

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
GAO, J.ALTINTAS, Y.: "Development of a three-degree-of-freedom ultrasonic vibration tool holder for milling and drilling", IEEE/ASME TRANSACTIONS ON MECHATRONICS, vol. 24, no. 3, 2019, pages 1238 - 1247, XP011730067, DOI: 10.1109/TMECH.2019.2906904
KURNIAWAN, R.ALI, S.PARK, K. M.LI, C. P.KO, T. J.: "Development of a three-dimensional ultrasonic elliptical vibration transducer (3D-UEVT) based on sandwiched piezoelectric actuator for micro-grooving", INTERNATIONAL JOURNAL OF PRÉCISION ENGINEERING AND MANUFACTURING, vol. 20, no. 7, 2019, pages 1229 - 1240, XP036823228, DOI: 10.1007/s12541-019-00126-9

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