Brevet FR2531778A1 — publié le 19840217

L'invention concerne un dispositif de mesure des forces de frottement et de l'usure, généralement connu sous le nom de tribomètre que l'on utilisera dans la suite du présent exposé, et particulièrement un tel appareil permettant toute une gamme de charges et de vitesses de déplacement avec maximum important qui est conçu pour la réalisation de tests de frottement simulant les conditions d'emboutissage de tôles en vue d'étudier les tendances au grippage. Le grippage des tales constitue l'incident principal rencontré en emboutissage, et un tel incident s'avère coûteux an particulier quand il entraîne des rebuts pour des défauts de surface de l'embouti ou en cas de détérioration de, l'outil en obligeant alors à des arrêts de la presse et donc de la chaîne de fabrication) afin de repolir l'outillage. Au niveau de la tôle, le grippage se traduit par l'apparition dans la tôle de sillons qui peuvent provoquer la dégradation de celle-ci. Cette dégradation se matérialise au début par des défauts de surface et peut ensuite se poursuivre Jusqu' une déchirure de celle-ci. Il se forme en effet, entre l'outil et la tle, une couche intercalaire constitube de débris d'usure et qui Joue le rôle d'un abrasif. Au niveau de l'outil, si le transfert de particules d'abra- sion s'opère vers celui-ci, il y a alors transformation en un outil de coupe. L'adhérence de ces particules à l'outil pose un problème important puisqu'elle conduit à l'immobili- sation de la presse pour permettre de polir l'outil. I1 résulte des inconvénients entraidés qu'il est intéressant de bien comprendre les mécanismes qui intervien- nent lors du grippage afin, par des essais préalables, , de pouvoir déterminer avec fiabilité les tôles présentant une tendance au grippage et de déterminer les conditions optimales d'emboutissage. De nombreux paramètres influent sur le grippage tôle/ outil lors de l'opération d'emboutissage. Parmi les paramé- tres identifiés, on peut citer notamment l'état de surface des outils et de la tôle, la pression exercée par les outils et les conditions de lubrification. Des essais mécaniques permettent de caractériser l'interaction tôle/outil en traitant isolément une modification des paramètres ci--dessus. Dans le passé, on a surtout pratiqué des essais "sur le tas", à l'aide de presses à emboutir, mais il s'agit là d'une solution empirique, onéreuse et peu satisfaisante en raison de son manque de caractère scientifique. On a aussi proposé des tests de simulation qui étudient l'influence de paramètres différents tels que par exemple l'état de surface des poinçons ou la distance parcourue par la tôle Jusqu'd l'apparition de traces de grippage. En particulier, la Société américaine INLAND STEEL a proposé, parmi les tests simulant les conditions d'emboutissage, un test de frottement par glissement qui indique la tendance d'une tôle au grippage. A cet effet, une tôle est étirée entre un outil plan et un outil hémicylindrique appliquant un effort normal donné. On mesure alors le rapport Fs/Fd de la force Fs (force statique) nécessaire pour amorcer le glissement et de la force Fd (force dynamique) nécessaire pour entretenir le glissement ; la valeur de ce rapport indique la tendance de la tôle au grippage. Tel qu'il a été introduit par la Société INLAND STEEL le test faisait intervenir des vitesses de glissement importantes (quelques mètres par minute) comparables à la situation en emboutissage et produites par un vérin hydraulique. Tout en donnant des indications indéniables sur ltemboutissa- bilité des tôles, ce test est resté très contesté à cause de sa nature essentiellement empirique car, à ce Jour, on ne comprend pas réellement les mécanismes physiques sous-Jacents. Par la suite, ce test a éte introduit par la Régie Nationale des Usines RENAULT. Les conditions expérimentales ont alors été modifiées sur deux plans 1. Choix de vitesses de frottement d'un ordre de grandeur inférieur (20 mm/minute), d'où un rempla cement du vérin hydraulique par l'entraînement électromécanique d'une machine de traction classique 2. Absence dasservissement de la montée de la force normale FN. Dans la version de la Régie RENAULT de ce test, la force normale est maintenue constante tout le long de l'essai. Malgré des tentatives d'analyse scientifique de ce test, on peut dire qu'on ne comprend toujours pas les raison. scientifiques de sa réussite empirique9 d'autant plus que dans la version de ce test mise au point par la Régie RENAUL on est loin de conditions d'emboutissage réalistes. La présente invention propose un dispositif d'essai permettant de faire varier de façon importante les condition: expérimentales de manière à coiffer à la fois une situation réaliste d'emboutissage et les conditions retenues pour le test d'emboutissage disuté plus haut et qui permette, par des systèmes d'asservissement, de réaliser simultanément le variation de plusieurs paramètres pour procéder à des mesurez en continu sutorisant une étude scientifique des mécanismes responsables du grippage0 Le tribomètre selon l'invention est constitué essentiellement d'une part d'un dispositif mécanique piloté par une unité de commande et conçu pour simuler les conditions réelles d'emboutissage et, d'autre part, d'une unité de mesure permettant d'exploiter scientifiquement les résultats obtenus. Il comprend plus particulièrement des moyens de dépla- cement à vitesse variable à maximum important d'une éprouvett de tôle maintenue par des organes de préhension avec des moyens de commande et d'asservissement associés aux dits moyens de déplscement pour assurer un mouvement de va-etvient de l'éprouvette, des moyens à vérin pneumatique pour l'application à l'éprouvette par des outils en forme de poinçons, sur une grande surface de contact9 d'une force normale ajustable et de forte intensité avec des moyens de commande et d'asservissement de ladite force normale pour commander le cas échéant l'annulation de la force normale à la fin de chaque course de frottement pour assurer un retour à vide de l'éprouvette en position pour une nouvelle course de frottement, et des moyens de mesure de la force de frottement tangentielle engendrée. On comprend que l'asservissement en synchronisation de la force de serrage normale des outils avec le déplacement vertical de va-et-vient de l'éprouvette de tôle, de façon que cette force s'annule à la fin de chaque course de frottement pour permettre le retour à vide de l'éprouvette en position initiale avant une nouvelle course de frottement, permet d'effectuer une suite continue de mesures de la force de frottement tangentielle dans le cas de réalisation de passes multiples sur une même piste de frottement0 Avantageusement, un moyen à servomécanisme est associé aux organes de préhension de l'éprouvette de tôle pour assurer à la fin de chaque course de frottement, dans la configuration d'une course de retour à vide de l'éprouvette en position initiale, un décalage latéral automatique de celle-ci d'un pas déterminé.Cette disposition permet ainsi d'exploiter, à chaque essai de frottement, une piste vierge parallèle à la trace initiale Jusqu'à balayage complet de la tôle. Selon une forme de réalisation préférée, des moyens sont associés aux organes de préhension de la tôle pour appliquer à celle-ci, sous l'effet d'un vérin pneumatique, une tension axiale aJustable qui permet de simuler la tension résultant, lors des opérations d'emboutissage, de la pression exercée au niveau du serre-flan. Les moyens d'application à l'éprouvette de la force de serrage normale comprennent des bras formant pince articulés à leurs parties intermédiaires à un support et dont les extrémités inférieures portent les outils en regard, alors qu'entre les extrémités supérieures desdits bras est disposé le vérin pneumatique fournissant la force de serrage. Avantageusement, le montage pivotant des bras de pince sur leur support est réalisé sans frottement au moyen de limes de ressort croisées qui peuvent être orientées dans un plan quelconques Les porte-outils solidaires des bras pivotants et qui reçoivent les outils de serrage sont constitués de façon à permettre l'utilisation d'outils réalisés en acier de haute qualité mais d'un prix réduit car provenant d'éléments standards fabriqués en grande série, tels que des barreaux cylindriques ou à six pans, des rouleaux de roulement, etc A cet effet, chaque porte-outil est réalisé sous la forme d'un ensemble de deux mâchoires en regard présentant chacune un profil en V et conçues pour maintenir aussi bien des pièces à section hexagonale qu'à section circulaire.Le serrage des deux mâchoires s'effectue au moyen de boulons en permettant ainsi de on particulièrement aisée le remplacement de l'outil ou la modification de la position de celui-ci. On prévoit de plus d'isoler électriquement l'outil du porte-outil pour permettre de mesurer, par effet thermoélectrique, la température a l'interface tôle-outil ainsi que la résistance électrique de contact. Le tribomètre ainsi réalisé, selon la présente invention, apporte en particulier les avantages suivants assurer, grâce à l'utilisation de vérins pneumatiques, tels que des pneurides, l'application de forces constantes et sans risque d'hystérésis pour le serrage des outils et pour la tension axiale do la tôle, - permettre une gamme étendue de vitesses de glissement de la tOle, comprises entre quelques centimètres par minute et quelques mètres par minute, - assurer une précontrainte axiale de l'échantillon de tale, permettant une meilleure simulation des conditions d'emboutissage, - autoriser le travail en multipasses, en permettant d'effectuer soit des passages répétés sur la. marne piste, jusqu'à apparition du grippage, soit des passages successifs sur des pistes différentes en simulant alors de façon automatique l'apport de tôle fraîche, - permettre la mesure de la température à l'interf tôle-outil, - permettre par l'intermédiaire d'une mesure de la résistance électrique de contact une détermination de la surface portante instantanée, - permettre une mesure précise de la force normale par lecture de la pression manométrique au vérin pneumatique et au moyen de capteurs associés aux bras de pince qui rendent également. possible l'ajustement du parallélisme des outils. Bien que le tribomètre selon l'invention puisse constituer un appareil totalement original, 11 est aussi possible de le réaliser comme accessoire d'une machine de traction en utilisant dans ce cas le vérin hydraulique de la machine de traction, qui permet des vitesses de déplace- ment importantes, comme moyen de déplacement vertical de l'éprouvette, les organes de commande et d'asservissement du vérin hydraulique de la machine étant également utilisés de même que la cellule de charge de celle-ci qui sert alors à mesurer la force de frottement tangentielle. On associe alors, à la machine de traction, les moyens spécifiques d'application de la force normale de serrage, d'application de la tension axiale à l'éprouvette et de déplacement latéral de cette éprouvette qui ont été mentionnés plus haut. Pour bien faire comprendre la structure du tribomètre selon la présente invention, on en décrira ci-après une forme d'exécution préférée en référence au dessin schématique annexé. dans lequel : la figure 1 est un schéma de principe d'un tribomètre selon l'invention réalisé à partir d'une machine de traction existante la figure 2 est une vue de dessus du système de pivotement des bras de serrage du tribomètre la figure 3 est une vue schématique de o8té de la figure 2 la figure 4 est une vue en coupe, à plus grande échelle, montrant, en position desserrée, les outils de serrage disposés en regard de part et d'autre de la tôle et maintenus à l'intérieur de leurs porte-outils la figure 5 est une vue en plan dune tôle passe au tribombtre et présentant des pistes de frottement sucessives décalées latéralement ; et la figure 6 est un diagramme synoptique montrant l'asservissement de la vitesse de frottement et de la force normale de serrage pendant lors cycles de fonctionnement du tribomètre, ainsi que la mesure obtenue de la force de frottement. A la figure 1, on a représenté en 1 le bâti d'une machine de traction, et en 2 la traverse supérieure de celle ci qui supporte la cellule de force 3. L'échantillon de tôle 4 à étudier est maintenu, en deux extrémités opposées, par des mors autoserreurs inférieur 5 et supérieur 6 entre lesquels est disposé un vérin pneumatique 7 permettant d'appliquer une tension axiale réglable à la tôle 4. Le mors inférieur 5 est relié mécaniquement en 8 au vérin hydraulique 9 de la machine de traction pour permettre d'assurer à la tôle 4 maintenue entre les mors 5 et 6 un déplacement vertical de va-et-vient sous l'action des moyens de commande et d'asservissement de la machine de traction (non représentés au dessin). De part et d'autre de la traverse 2 de la machine de traction sont disposés en regard l'un de l'autre deux bras verticaux 10 formant pince, qui sont articulés à leuns partie: intermédiaires à un support 11 auquel est liée la cellule de charge 3. Deux modes de réalisation sont envisageables, un mode privilégié selon lequel la cellule de charge est montée au-dessus de la traverse et le pivot est attaché à un couver cle fixé sur la partie supérieure de la cellule de charge, et un autre mode avec fixation directe du système de pivot en dessous de la cellule de charge qui est alors fixée sous la traverse mobile, Comme on l'a représenté eux figures 2 et 3, chaque bras de pince 10 est solidaire d'un joug pivotant 19, 20 en forme de U qui est articulé à chacune de ses extrémités, au moyen de lames de ressort croisées 21, , 22, à un plateau 23 solidaire de la cellule de force. Les extrémités inférieures des bras 10 portent chacune, de part et d'autre de la tôle es, un outil de serrage 12, 13, alors qu1à leurs extrémités supérieures les bras 10 sont reliée entre eux par un vérin pneumatique 14 command le serrage des outils 12, 13 sur la tôle 4. Le pivotement des bras 10 s'effectue sans frottement sur le support 11, en utilisant à cet effet des lames de ressort croisées travaillant à la fois en flexion et en traction mais qui peuvent élalement être orientées dans un plan quelconque. Un servomécanisme pneumatique (disponilble dans la commerce et en conséquence non représenté au dessin) est prévu pour permettre de déplacer la tels 4 latéralement de pas #x entre les outils 12, 13. Ce mouvement latéral est permis grâce à une butée à billes 15 qui est intégrée dans la transmission 8 entre le vérin hydraulique 9 et la tôle 4 et il ne peut-être commandé que pendant la remontée à vide du vérin hydraulique 9 (c'est-à-dire outils 12, 13 desserrés) consécutive à une course de frottement. Ainsi, il est possible d'exploiter à chaque essai de frottement une piste vierge parallèle à la piste initiale, jusqu' réalisation d'un balayage complet de la tôle. On décrira ci-après le fonctionnement du tribomètre0 Les outils 12, 13 étant en position desserrée, une tension axiale est préalablement appliquée à la tôle 4 à l'aide du vérin pneumatique 7 par l'intermédiaire des mors 5, 6 en permettant de simuler l'effet de tension produit par le serre-flan. La tige du vérin hydraulique 9 de la machine de traction est alors amenée en position de sortie totale, en plaçant ainsi la tôle 4 à une hauteur maximum. Une force normale de serrage Fn est alors produite à l'aide du vérin pneumatique 14 et est transmise à la tôle 4 à travers les bras de pince 10 et les outils 12, 13. Par le vérin hydraulique 9 de la machine de traction on impose alors à la tôle 4 un déplacement vertical à vitesse connue qui conduit à un étirement de la tôle entre les outils 12, 13.La force de frottement entre la tôle et les outils est mesurée par la cellule de force 3 de la machine de traction. Lorsque la t81e 4 arrive en fin de course de frottement, ce qui correspond à la fin de la course de rétraction de la tige de vérin hydraulique 9, le dispositif d'asservissement commande le desserrage des outils et la translation latérale de la tôle 4 d'un pas réglable # x, puis le retour à vide de la t81e 4 en position de hauteur maximum (sous l'action du vérin hydraulique 9) pour la réalisation d'un nouvel. étirage sur une piste différente. On a représenté à la figure 5 l'échantillon de tOle étudié, montrant les pistes de frottement successives 16 décalées latéralement entre elles du pas Sur le diagramme de la figure 6, on a montré en a) la variation en fonction du temps de la vitesse v du vérin hydraulique 9, asservie en 1,fonction carrée". En b) on a représenté la variation de la force normale Fn imposée par le vérin pneumatique 14 asservie en synchronisation avec la vitesse v, de façon en particulier comme expliqué plus haut que la force appliquée soit nulle (outils desserrés) lors de la course de sortie du vérin hydraulique 9.En c) est représentée la mesure de la force de frottement tangentielle obtenue en continu par la cellule de charge 3 de la machine de traction, avec la zone de crête 17 correspondant à la force de frottement statique mesurée et la zone de palier 1 correspondant à la force de frottement dynamiques On compre ainsi que, au moyen du dispositif selon l'invention et des systèmes d'asservissement qui lui sont associés, on peut mesurer simultanément et en continu la variation de plusieu paramètres pour obtenir des mesures en continu permettant d'appréhender de façon complète les phénomènes étudiés. A la figure 4, on a représenté les porte-outils soli daires des extrémités inférieures des bras 10. Chaque porte outil est constitué de deux parties formant mâchoires dont les faces en regard présentent des profils en V opposés. Le serrage de l'coutil dans le porte-outil, ou son démontage, s'effectue très simplement par actionnement de boulons transversaux 24.Au dessin, on a représenté l'outil 12 sous la forme d'une portion d'un barreau à six pans et l'outil 1 sous la forme d'une portion d'un barreau cylindrique, tous deux réalisés en acier d'outillage de haute qualité, et l'o comprend que, lorsqu'il sera nécessaire de changer la face de travail des outils, il suffira de façon très simple de procéder à une rotation de ceux-ci afin d'amener des élémen d'outils propres en regard de la tôle 4 (en permettant en particulier une analyse différée de a surface de l'outil). Dans l'exemple représenté, on a considéré des outils assymé triques (barreau six pans 12 et barreau cylindrique 13), mais on comprendra que, pour travailler avec des outils sym triques, on pourra sans difficulté remplacer 1Q barreau six pans par un barreau cylindrique dont le maintien sera parfaitement assuré par les mâchoires en V du porte-outil. Un isolement électrique entre l'outil et le porteoutil permet, par évaluation de la résistance électrique de contact, la détermination de la surface portante instantané et, par effet thermoélectrique intrinsèque, la mesure de la température à l'interface tôle-outil, On peut utiliser également des capteurs piézoélectriques pour mesurer les composantes transitoires de la force de frottement. On comprendra que la description qui précède n'a été donnée qu'à simple titre d'exemple et que des adJonctions ou des modifications constructives pourraient y être apportées sans sortir du cadre de l'invention définie par les revendications annexées. En particulier, on a décrit le tribomètre comme l'accessoire d'une machine à asservisse ment hydraulique classique, mais on comprendra que, sans sortir du cadre de l'invention, on pourrait prévoir la réalisation d'un tribomètre totalement autonome. R E V E N D I C A T I O N S. 1. Dispositif de mesure des forces de frottement et de l'usure, à lerge gamme de charges et de vitesses de dépl cement, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (9) de déplacement à vitesse importante d'une éprouvette de tôle (4) maintenue par des organes de préhension (5, 6), des moyens de commande et d'asservissement associés auxdits moy@ de déplacement pour assurer à l'éprouvette un mouvement de va-et-vient, des moyens à vérin pneumatique (14) pour appli. quer à l'éprouvette (4) par l'inhtermédiaire d'outils (12,13) sur une grande surface de contact, une force normale ajustable et de forte intensité, des moyens de commande et d'asser vissement associés auxdits moyens d'application de la force normale et agissant en synchronisme avec les moyen de commande du déplacement de l'éprouvette pour assurer le serrage des outils sur la tôle lors de son déplacement, et des moyens de mesure en continu de la force de frottement tangentielle engendre lors de la course de frottement. 2. Mode de fonctionnement du dispositif selon la revvendication 1, caractérisé en ce qu'une force normale de serrage constante est appliquée aux outils (12, 13) pendant la totalité du déplacement de va-et-vient de la tôle (4). 3. Mode de fonctionnement du dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la force normale de serrage n'est appliquée aux outils (12, 13) que pendant une course aller du déplacement de va-et-vient de la tôle (4), la course de retour de la tôle s'effectuant les outils desserrés. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé an ce qu'il est conçu comme accessoire d9une machine de traction et utilise, comme moyen de déplacement de la tôle (4), le vérin hydraulique de ladite machine avec les moyens correspondants de commande et d'asservissement, la cellule de force de la machine de traction servant de moyen de mesure de la force de frottement tangentielle engendrée. 5. Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits moyens d'application de la force normale de serrage comprennent deux bras (10) formant pince articulés à leurs parties intermédiaires et portant à leurs extrémités inférieures les outils de serrage (12,13), la force de serrage étant fournie par un vérin pneumatique (14) disposé entre les extrémités supérieures des deux bras et la force de frottement tangentielle étant transmise à la cellule de force par l'intermédiaire des pivots desdits bras (10). 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le pivotement des bras (10) d'application de la force de serrage est réalisé sans frottement au moyen de lames de ressort croisées (21, 22). 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1, 4, 5 et 6, caractérisé en ce que des capteurs de force tels que des jauges de contrainte coopèrent avec les bras de pince (10) pour assurer la mesure de la force normale de serrage et permettre de réaliser l'ajustage du parallélisme des outils. 8. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que chaque bras pivotant (10) est solidaire à son extrémité inférieure d'un porte-outil constitué par deux éléments en forme de mâchoires dont les parties de serrage en regard présentent des profils en V inversés et dont le serrage est assuré par des boulons (24), en permettant l'change facile des outils. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'outil (12, 13) est isolé électriquement de son porte-outil pour permettre, par la mesure de la résistance électrique de contact, la détermination de la surface portante instantanée et, par effet thermocouple intrinsèque, la mesure de la température à l'interface de frottement. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 4 à 9, caractérlsd en ce qu'il comprend des moyens a vérin pneumatique (7) associés aux organes de préhension (5, 6) de la t81e (4) pour appliquer une tension axiale ajusta- ble à ladite tôle. 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendiôa- tions 1 et 4 à 10, caractérisé en ce qu'un moyen à servomécanisme est associé aux organes de préhension (5, 6) de l'éprouvette (4) pour assurer à la fin de chaque course de frottement, lors de la course de retour à vide de l'éprouvette en position initiale, un décalage latéral automatique de l'éprouvette par rapport aux outils (12,13; en permettant d'exploiter à chaque essai de frottement une piste vierge parallèle à la piste initiale jusqu'à balayage complet de la tôle.