compréhension du procédé de mise en forme

Essais instrumentés de fluotournage :
Compréhension du procédé de mise en forme
Collaboration ROXEL/CEMEF – ANR « Fluoti »
Intervenants Cemef : Simon Becker, Erick Brotons, Christelle Combeaud, Dorian
Depriester, Francis Fournier, Elisabeth Massoni, Arnaud Pignolet, Gabriel Pouliquen
Intervenants Roxel : Laurent Bonhomme, Vincent Dornon, Alain Gorlier
Lyon, le 19 Juin 2014
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1. Le procédé : Principe
- Fluotournage direct
- Fluotournage inverse
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1. Le procédé : Principe
- Fluotournage inverse
Avantages :
-
Pièces aérospatiales et aéronautiques métalliques axisymétriques
Pièces de grandes dimensions, de faibles épaisseurs
Sans soudage, pas de perte de matière
3
Aciers, alliages
2. La problématique
- Comprendre l’écoulement matière sous la molette
- Influence des différents paramètres procédé :
Mode de chargement du matériau : nombre de molettes,
géométrie de la molette avec angle d’attaque, rayon courbure
et profondeur de passe associée
Avance
Angle d’attaque
X
Angle de dépouille
Rayon de courbure
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2. La problématique
- Comprendre l’écoulement matière sous la molette
- Influence des différents paramètres procédé :
Vitesse de déformation du matériau :
- couplage entre vitesse rotation mandrin et vitesse
d’avance molette
Avance
X
Rotation
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2. La problématique
- Comprendre l’écoulement matière sous la molette
- Influence des différents paramètres procédé :
Température du matériau : auto-échauffement ?
Contact outils / matière : frottement ou glissement ?
Dans l’industrie : - lubrification externe importante
- mandrins refroidis de l’intérieur
- graisse permet glissement mandrin / tube
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3. Dimensionnement de la mini-machine
 Le premier calcul avec Abaqus
Diamètre mandrin
  33,5 mm
V rotation = 200 tr/min
V avance = 1 mm/tr
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3. Dimensionnement de la mini-machine
 Le premier calcul avec Abaqus
Rhéologie Ta6V à froid

  0.31
Epaisseur initiale = 5 mm
Profondeur de passe de 1,9 mm
Taux de réduction = 38 %
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3. Dimensionnement de la mini-machine
 Le premier calcul avec Abaqus
Effort radial 100 kN
Effort axial 20 kN
Couple 250 N.m
Effort tangentiel
~ 5 kN
Etablissement des efforts et couple en régime stationnaire
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4. Choix technologiques
 Moteurs et capteurs
Molette
Moteur
broche
Couplemètre
Moteur
avance
 Couplemètre rotatif
Couple jusqu’à 500 N.m
Codeur 60 impulsions/tour : vitesse broche mesurable
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4. Choix technologiques
Z
 Moteurs et capteurs
Y
Capteur
efforts
Molette
Moteur
broche
Couplemètre
Moteur
avance
 Deux cellules d’effort piezoélectriques tri-axes X, Y et Z
Z : 200 kN ; X et Y : 60 kN
Etanche ; tenue en température entre -40 et 120 °C
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Connaître la position spatiale du point d’application des efforts
4. Choix technologiques
 Etalonnage plateau dynamométrique sous presse suivant Z
Fz = F1z + F2z
Z
Fz =
b
(F1z - F2z)
2a
100
90
Y
b = 150 mm
a ~ 2 mm
X
80
70
Force mesurée (kN)
2
1
60
Z1
Z2
Somme Z1 + Z2
Théorie
50
40
30
Position molette (?)
20
10
0
0
10
20
30
40
50
Force imposée (kN)
60
70
80
90
100
12
4. Choix technologiques
Position molette (?)
b = 150 mm
a ~ 2 mm
Fx = F1x + F2x
1
Y
Z
2
X
 Etalonnage capteurs tri-axes sous presse suivant X
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5. Conception mécanique ; instrumentation
 Quelques photos
Bilan :
- 2 années et demi de développement
- 220 pièces usinées en interne
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5. Conception mécanique ; instrumentation
 Vue d’ensemble de la machine
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5. Conception mécanique ; instrumentation
 Mesure et contrôle du procédé
- Mesure des efforts tri-dimensionnels exercés sur la molette
Molette
- Mesure de la position radiale de la molette
- Mesure de la vitesse de rotation de la molette
Broche
Contrôle
Procédé
- Mesure du couple broche
-Mesure de la vitesse de rotation de la broche
- Mesure de la position d’avance
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6. Premiers essais
 Préforme tubulaire titane T40
• Course : 25 mm – Vitesse d’avance : 0,33 mm/tr – Vitesse de rotation : 100 tr/min
• Profondeur de passe : 0,71 mm ; épaisseur initiale 5 mm
Z
X
Régime
transitoire
Régime
stationnaire
C = 40 N.m
Relaxation
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6. Premiers essais
 Préforme tubulaire titane T40
• Course : 25 mm
• Profondeur de passe : 0,71 mm ; épaisseur initiale 5 mm
0, 66 mm/tr ; 100 tr/min
0, 33 mm/tr ; 200 tr/min
0, 33 mm/tr ; 100 tr/min
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6. Premiers essais
 Préforme tubulaire titane T40
•
•
•
•
Course : 25 mm ; Vitesse d’avance : 0,56 mm/tr
Vitesse de rotation : 200 tr/min
Profondeur de passe : 1,8 mm
Epaisseur initiale 2,5 mm
Fissure intérieure traversante
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6. Premiers essais
 Préforme tubulaire cuivre
•
•
•
•
Course : 100 mm ; Vitesse d’avance : 0,33 mm/tr
Vitesse de rotation : 200 tr/min
Profondeur de passe : 1,8 mm
Epaisseur initiale 5 mm
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Formation d’une instabilité type « bourrelet »
7. Perspectives

Etudier le frottement tube / molette : pas de glissement
observé

Peu d’effets de la lubrification sur les mesures d’efforts :
pas d’auto-échauffement à ces échelles de travail
 Faire varier géométrie molette : angle d’attaque, rayon
courbure…
 Suivre l’écoulement matière via suivi caméra rapide
synchrone avec les mesures d’efforts et couple
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4. Choix technologiques
 Moteurs et capteurs
Molette
Moteur
broche
Moteur
avance
 Moteur broche asynchrone couplé à un variateur de vitesse
avec Vrotation [0 ; 400] tr/min et couple sortie de 342 N.m
 Moteur d’avance synchrone couplé à un variateur de vitesse
Faxiale maximale de 50 kN
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Vitesse d’avance entre [0,5 ; 1,5] mm/tr
6. Premiers essais
 Préforme tubulaire cuivre
Avant Usinage
Usinage
Après Usinage
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6. Premiers essais
 Préforme tubulaire cuivre
• Course : 100 mm
• Vitesse d’avance molette : 0,33 mm/tour
• Vitesse de rotation broche : 200 tour/min
• Fort tulipage
• Etat de surface « pailleté »
• Nécessité de passer sur le titane
pour des essais plus « propres »
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3. Dimensionnement de la mini-machine
 Répartition des efforts de fluotournage
Force radiale
Force tangentielle
Techniques de l’ingénieur
Force axiale
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3. Dimensionnement de la mini-machine
 La feuille blanche
Interaction
Molette / Pièce
Une seule molette de travail instrumentée
- un seul écoulement matière
- minimise efforts et couples mis en jeu
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6. Premiers essais
 Préforme tubulaire cuivre
Difficulté de stabiliser les mesures d’effort et couple ; instabilités
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de l’écoulement
3. Dimensionnement de la mini-machine
 Le premier calcul avec Abaqus
Rhéologie Ta6V à froid

  0.31
Epaisseur initiale = 5 mm
Profondeur de passe de 1,9 mm
Taux de réduction = 38 %
Ln (S/S0) = -53 %
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1. Cahier des charges
F.
Echantillon
 Quelques
Avant Usinage
échantillons
Usinage
Après Usinage
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4. Conception mécanique ; choix technologiques
 Etalonnage plateau dynamométrique sous presse
Point d’application de l’effort représentatif du procédé
Situé entre les deux capteurs pour limiter les moments
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Une seule rondelle n’aurait pas pu encaisser les moments
4. Conception mécanique ; choix technologiques
1
Z
2
X
 Etalonnage capteurs tri-axes sous presse suivant X
- Résultantes en Z symétrique, de signe opposé
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1. Cahier des charges
 Réduction dimensionnelle à l’échelle de laboratoire
Pièces / outils
Diamètre mandrin (mm)
33.5
Diamètre extérieur tube (mm)
43.5
Epaisseur tube (mm)
5
Longueur tube (mm)
150
Longueur utile mandrin (mm)
400
Angle cône tube (°)
15
Epaisseur du cône (mm)
0.6 ou 1.2
Diamètre molette (mm)
117
Angle attaque molette (°)
15 ou 20
Angle dépouille molette (°)
Rayon courbure molette (mm)
3
2, 3 ou 4
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1. Cahier des charges
 Conditions
et paramètres procédé fluotournage inverse :
- Utilisation d’une molette de travail (+ 2 galets soutien)
- Réglage position molette : profondeur de passe (précision 0.1 mm)
- Réglage vitesse rotation broche de 0 à 400 tr/min
- Réglage vitesse avance de 0 à 2 mm/tr
- Entrainement pièce : griffes d’entrainement
- Lubrification à prévoir : refroidissement pièce
- Extraction pièce fluotournée : extracteur
- Protection de l’utilisateur : capot de sécurité
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1. Cahier des charges
 Mesure et contrôle du procédé :
- Mesure des efforts radiaux et axiaux exercés sur la molette
Molette
- Mesure de la position radiale de la molette
- Mesure de la vitesse de rotation de la molette
Broche
Contrôle
machine
Observation
In-situ
- Mesure du couple broche
-Mesure de la vitesse de rotation de la broche
- Mesure de la position d’avance
- Mesure par thermographie infra-rouge
- Mesure de l’écoulement matière via caméra rapide
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1. Cahier des charges
ENCORE DES IMAGES
 Quelques photos
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