Brevet FR2602336A1 — publié le 19880205

La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour la détection en continu de l'état d'un outil de coupe, comme par exemple l'usure et une cassure éventuelle, par le contrôle de la chaleur produite par l'opération de cou5 pe. La qualité et la précision d'une pièce usinée sont directement liées à l'état de l'outil de coupe et de son arête coupante. Un outil de coupe s'use pendant des opérations d'usinage normales, et lorsque l'usure a atteint une valeur détermi10 née, l'outil devient impropre à l'utilisation. La poursuite de son utilisation peut conduire à des dimensions de pièce, un état de surface et un broutage inacceptables, et elle pourrait également conduire à une rupture de l'outil mettant en danger l'intégrité de la pièce usinée et de la machine-outil. La plu15 part des opérations réalisées par commande numérique exigent donc d'effectuer une détermination préalable de la durée de vie prévue pour l'outil. L'utilisation de l'outil est ensuite programmée de façon à ne pas dépasser la durée autorisée. Du fait de variations impossibles à éviter en ce qui 20 concerne la matière de l'outil, la pièce à usiner et le processus d'usinage, toute durée de vie prévue pour un outil doit être une estimation prudente, dans le but de minimiser le risque d'usure excessive des outils. Cette façon de procéder conduit à des coûts d'outillage inutilement élevés, en particulier 25 dans des situations dans lesquelles la durée de vie des outils est limitée, comme dans le cas de l'usinage du titane. Le problème à résoudre consiste dans la mesure de l'état d'un outil pendant le processus d'usinage, et dans l'utilisation de cette mesure pour utiliser des outils individuels jusqu'à leurs possibilités maximales, sans intervention humaine directe. Un certain nombre de systèmes ont été proposés pour la détection de l'état d'un outil, et ces systèmes sont basés sur l'utilisation de différents capteurs, tels que des capteurs de force, d'émission acoustique, de vibration, de courants d'avance d'outil et d'entraînement de broche de la machine, et de température d'outil. Bien que de nombreuses publications indiquent que ces capteurs permettent d'atteindre le but re10 cherché, il demeure une pénurie de capteurs utilisables pour la détection en continu de l'état d'un outil. Des détecteurs de cassure d'outil de type acoustique, comme l'appareil de contrôle de machine-outil qui est décrit dans les demandes de brevet des E.U.A. déposées le 24 octobre 1984 par C.E. Thomas et col., 15 sous les numéros 664188 et 664189, concernent le problème de la rupture d'un outil dans des conditions limitées. Des systèmes basés sur la mesure de la force d'usinage ont donné partiellement satisfaction pour la détection de l'usure et de-la rupture d'un outil, mais ils sont trop coûteux pour une application générale et ils exigent généralement des modifications importantes de la machine-outil. On a montré qu'un tel système présentait un problème de fiabilité à long terme, à cause de l'usure de paliers par l'intermédiaire desquels on mesure la force d'usinage. Des systèmes basés sur la mesure des courants 25 d'entrainement de la machine-outil sont peu coDteux, mais sont difficiles'à utiliser et conviennent mieux pour l'utilisation dans des situations de chaine de transfert que dans des systèmes de fabrication flexibles. Un but de l'invention est de procurer un procédé 30 perfectionné pour le contrôle de l'état d'un outil de coupe pendant une opération d'usinage qu'on puisse utiliser aisément eet qui soit applicable à une gamme étendue de situations. Un autre but est de mesurer la dissipation de chaleur au niveau de l'arête coupante, et d'exploiter la relation 35 qui existe entre cette mesure et l'état de l'arête coupante ainsi que l'usure et la rupture de l'outil. Le procédé perfectionné de détection de l'état d'un outil de coupe pendant le processus d'usinage comprend l'établissement d'un écoulement d'eau ou d'un autre fluide de re5 froidissement qui vient en contact avec une surface arrière de l'outil de coupe et qui est échauffé par la chaleur produite sur l'arête coupante et au voisinage de celle-ci, à cause de la formation de copeaux. On mesure la différence entre les températures d'entrée et de sortie du fluide de refroidissement et cette différence constitue une indication du taux de génération de chaleur au niveau de l'arête coupante. On détermine l'état de l'outil en établissant une relation entre ces différences de température et leur taux de variation, et l'état de l'arête coupante. L'existence d'une relation entre une usure 15 accrue de l'outil et une valeur plus élevee de la différence de température mesurée, s'explique par le fait que la configuration géométrique de l'arête coupante change et que les faces d'attaque et de flancs de l'outil s'ébrèchent, ce qui augmente l'aire de contact et conduit à un contact thermique plus effi20 cace avec le copeau chaud. Un outil usé est indiqué par l'élévation de la différence de température mesurée au-dessus d'une limite fixée par l'utilisateur; une vitesse d'augmentation élevée de la différence de température signale une usure rapide de l'outil. Une diminution abrupte de la différence de tempéra25 ture mesurée indique une rupture de l'outil. Une différence de température nulle indique une condition d'absence de coupe, et une valeur positive de la différence de température indique une condition de coupe. Une caractéristique supplémentaire du procédé de contrôle de l'état d'un outil consiste en ce que des ordres et des alarmes appropriés sont émis vers l'organe de commande de la machine-outil en cas de détection d'une condition défavorable de l'outil, pour accomplir une action appropriée dans le processus d'usinage. Un autre aspect de l'invention porte sur un perfec- tionnement de dispositifs de détection en continu de l'état d'un outil. L'exemple de réalisation qui est présenté concerne une plaquette remplaçable qui est fixée sur un siège d'outil de coupe monté sur un porte-outil. Le canal de fluide prévu pour la circulation du fluide de refroidissement comprend une section de conduit centrale formée dans le siège approximativement au-dessous de l'arête coupante et près de la zone sur laquelle passe le copeau, et des sections de conduit d'entrée et de sortie dans le porte-outil. Des moyens d'e détection de 10 température tels qu'un thermocouple différentiel sont prévus pour mesurer les températures du fluide de refroidissement dans les conduits d'entrée et de sortie, ce dernier étant de préférence isolé pour éviter les pertes de chaleur. Des moyens tels qu'un microprocesseur programmé interprètent le signal de 15 différence de température mesuré, ils établissent la relation entre ce signal et son taux de variation, et l'état de l'outil précité, et ils émettent des ordres vers l'organe de commande. La suite de la description se réfère aux dessins annexés qui représentent respectivement: Figure 1: une vue de dessus représentant un outil de coupe qui usine une pièce dans une application de tournange. Figure 2: une vue latérale d'un porte-outil, d'un siège d'outil et d'une plaquette de coupe modifiés pour permettre l'incorporation du dispositif de détection en continu 25 de l'état d'un outil, correspondant à l'invention. Figure 3: une vue en plan du conduit de fluide de refroidissement qui est usiné dans le siège d'outil de coupe. Figure 4: une vue de côté partielle du porte-outil, du siège d'outil et de la plaquette, montrant un autre emplace30 ment du conduit de sortie du porte-outil, pour la circulation du fluide de refroidissement. Figure 5: des courbes de différence de température mesurée pour le fluide de refroidissement, pour deux conditions de coupe et vitesses de surface. Figure 6: un schéma synoptique général qui illustre le traitement et l'utilisation du signal de différence de température. La figure 1 représente le dispositif de contrôle d'état d'un outil utilisé dans une application de tournage utilisant une plaquette de coupe carrée, sur laquelle on voit une pièce à usiner 10, un porte-outil 11, une plaquette d'outil remplaçable 12 et une bride d'outil de coupe 13. Dans cette configuration, l'arête coupante de l'outil de coupe est désignée par la référence 14 et le copeau formé par l'opération 10 d'usinage est désigné par la référence 15. En considérant la figure 2, on voit que l'outil de coupe 12 est fixé sur un siège d'outil de coupe réutilisable 16 qui est lui-même monté sur le porteoutil 11. La détection en continu de l'état de l'outil,. portant par exemple sur l'usure et une rupture éventuelle, pen15 dant la formation du copeau, est accomplie par l'établissement d'un écoulement de fluide de refroidissement qui vient en contact avec la surface arrière 17 de l'outil de coupe 12, c'està-dire la surface opposée à la face d'attaque 18. On mesure l'élévation de température du fluide de refroidissement pendant 20 l'opération d'usinage, à l'aide de capteurs de température appropriés. Avec un choix approprié de la configuration géométrique du passage du fluide de refroidissement, et du débit de ce dernier, l'élévation de température mesurée constitue une indication directe du taux de génération de chaleur au niveau de l'arête coupante. Les données de différence de température sont interprétées pour indiquer l'état de l'arête coupante. Dans le cas de plaquettes d'outil, les conduits de refroidissement sont usinés dans le siège réutilisable 16, et des moyens sont prévus pour faire circuler le fluide de re30 froidissement jusqu'au siège, à travers le porte-outil. Le fluide de refroidissement est de préférence de l'eau, mais il peut être des lubrifiants d'usinage, de l'air ou un autre fluide qui extrait de la chaleur par convection. Les figures 2 et 3 montrent une configuration des conduits de fluide. L'eau entre 35 par un raccord à branchement et débranchement rapides 19 et elle pénètre dans une section de conduit d'entrée 20, s'étendant en direction longitudinale dans le porte-outil 11. Une section de conduit centrale 21 dans le siège 16 est constituée par une cavité 22 creusée au sommet du siège et par deux trous situés à chaque extrémité, qui traversent complètement le siège. La plaquette d'outil de coupe 12 repose directement sur la partie supérieure du siège 16 et elle établit un joint d'étanchéité approprié, une fois qu'elle est bloquée de la manière normale. La forme et la position de la cavité 22 sont 10 telles que le conduit se trouve approximativement audessous de l'arête coupante de l'outil de coupe, en étant proche de la surface sur laquelle passe le copeau. Une section de conduit de sortie 23 traverse le porte-outil 11 en direction longitudinale et évacue l'eau par l'intermédiaire d'un raccord de 15 sortie 24 qui est introduit dans l'extrémité du porte-outil. Le conduit de sortie 23 est de préférence isolé au point de vue thermique pour éviter une perte de chaleur de l'eau échauffée, et il est entouré par un tube isolant 25. Des thermocouples 26 et 27 mesurent continuellement les températures 20 d'entrée et de sortie du fluide de refroidissement, et ces thermocouples peuvent être des éléments d'un thermocouple différentiel dont la tension de sortie est le signal de différence de température. La figure 4 représente une version modifiée des passages de fluide dans le porte-outil. La section de conduit de sortie 28 est rectiligne et ne comporte pas un coude comme sur la figure 2, et la sortie de fluide de refroidissement se trouve à la partie inférieure du porte-outil, et l'eau évacuée tombe dans le bac de récupération de la machine-outil. Le con30 duit de sortie est entouré par un tube isolant 29, comme précédemment. Le thermocouple de sortie 30 se trouve à l'extrémité du conduit de sortie 28 et il mesure la température de sortie du fluide de refroidissement. Le mode de réalisation de la figure 2 est avantageux du fait que le réservoir d'eau et la 35 pompe à eau, ainsi que les capteurs de température et leur câblage, se trouvent sur la tourelle de la machine- outil; il est donc facile de monter le porte-outil et de le remplacer par un autre. Au fur et à mesure que l'outil de coupe s'use, la différence de température de l'eau ou d'un autre fluide de refroidissement entre l'entrée et la sortie augmente. Au fur et à mesure que l'outil s'use, la configuration géométrique de l'arête coupante change et des piqOres ou des cratères se forment dans les faces d'attaque et de flancs de l'outil. Un ou10 til usé présente une plus grande aire de contact avec le copeau lorsque ce dernier passe sur l'outil de coupe. Un contact thermique plus efficace entre le copeau et l'outil apparait au fur et à mesure que l'outil s'use. Il existe donc une plus grande quantité de chaleur que l'eau peut absorber en venant 15 en contact avec la surface arrière de l'outil. Les données de différence de température qui sont représentées sur la figure ont été obtenues au cours de l'usinage d'une barre d'alliage de titane avec une plaquette d'outil de coupe en carbure, en utilisant de l'eau ordinaire en tant que fluide de refroidis20 sement. On a essayé deux conditions de coupe. Dans les deux cas, la profondeur de coupe était de 2,54 mm et la vitesse d'avance de la pièce à usiner était de 0,254 mm/tour. On a effectué un essai à une vitesse de coupe de 61 m/mn en surface, et l'autre à une vitesse de 91,5 m/mn en surface. On a mesuré 25 continuellement l'élévation de température dans l'eau penda-nt les deux opérations de coupe, chacune d'elles durant environ trois minutes. L'essai effectué à la vitesse inférieure fait apparaître une différence de température augmentant très lentement, après le transitoire rapide initial. Ceci indique que 30 la chaleur qui est produite au niveau de l'arête coupante augmente lentement. L'essai effectué à la vitesse coupe supérieure indique un taux de génération de chaleur plus élevé, comme l'indique la différence de température accrue, et également un taux plus élevé d'augmentation du taux de génération 35 de chaleur, pendant l'opération de coupe. Toutes ces observa- tions concordent avec ce qu'on sait de l'évolution de l'usure des outils. L'usure non uniforme observée à la vitesse de coupe supérieure se manifeste également par des variations extrêmement importantes de la pente de la courbe de différence de température. On attribue ces variations de pente à des variations de la configuration géométrique du contact entre l'outil et le copeau, sous l'effet de l'ébrèchement des faces d'attaque et de flancs de l'outil. Les différences de température mesurées indiquent 10 les conditions de l'outil qui sont signalées ci- après; cette liste n'est pas complète mais comprend plusieurs conditions d'outil défavorables qu'on contrôle habituellement. Une différence de température détectée qui dépasse une valeur haute et qui s'élève au- dessus d'une limite fixée par l'utilisateur in15 dique un outil usé. Une vitesse d'élévation élevée de la différence de température détectée indique une usure rapide de l'outil. On détermine évidemment le degré d'usure de l'outil par des essais préalables qui établissent la relation entre le degré d'usure et l'élévation de température. Une chute brutale 20 de la différence de température mesurée est une indication d'une cassure de l'outil. En outre, on peut contrôler dans la tourelle la pression du fluide de refroidissement; une diminution brutale pourrait être produite par une cassure importante donnant lieu à une fuite du conduit de fluide de refroidisse25 ment dans le siège. Une différence de température nulle signale une condition d'absence de coupe. Une différence de température positive indique que l'outil accomplit le travail de coupe. La figure 6 montre.un schéma synoptique général du 30 dispositif de détection en continu de l'état d'un outil. Le processus d'usinage désigné de-façon générale par le bloc 31 fournit un signal de thermocouple qui varie avec la différence de température détectée. La force électromotrice générée est liée-sans ambiguité à l'élévation de la température du fluide 35 de refroidissement pendant qu'il traverse le conduit 21 dans le siège d'outil 16. Un millivoltmètre électronique 32 avec une échelle étalonnée de façon appropriée peut être prévu pour visualiser la valeur réelle de l'élévation de température en unités appropriées ( F ou C). Cette même force électromotrice, après avoir subi des opérations appropriées de traitement de signal et de numérisation en 33 et 34, est contrôlée par un microprocesseur 35 qui est programmé de façon à interpréter le signal de thermocouple et la différence de température détectée, et à déterminer l'état correspondant de l'outil. Ce pro10 gramme peut comporter un certain nombre de paramètres réglables et pouvant être fixés aisément, qui permettent l'adaptation de ce dispositif de détection à de nombreuses applications de contrôle de l'état d'un outil. Le microprocesseur 35 est également programmé de façon à émettre une ou plusieurs alarmes vers 15 l'organe de commande de machine-outil 36. A titre d'exemple, des alarmes sont générées sous l'effet de la détection d'un outil usé ou cassé. L'organe de commande de la machine- outil interprète à son tour ces alarmes comme des demandes de déclenchement d'actions appropriées sur le processus d'usinage. La relation entre la différence de température contrôlée et l'état de l'outil dépend du processus d'usinage, qui fait intervenir le matériau de la pièce à usiner, le matériau et la configuration géométrique de l'outil, le type d'opération de coupe et les conditions d'usinage réelles (avance, vitesse et profondeur 25 de coupe). Le procédé et le dispositif perfectionnés de contrôle de l'état d'un outil sont applicables à d'autres machines-outils telles que des fraiseuses, et à d'autres configurations géométriques de plaquette de coupe, comme des configura30 tions circulaires, triangulaires, en losange, etc. REVENDICATIONS 1. Procédé de détection de l'état de l'arête coupante (14) d'un outil de coupe (12) pendant une opération d'usinage, caractérisé en ce que: on établit un écoulement de fluide de refroidissement qui vient en contact avec une surface (17) de l'outil de coupe (12) et qui est échauffé par la chaleur produite au niveau de l'arête coupante (14) et à proximité de celle-ci, sous l'effet de la formation d'un copeau; on mesure la différence de température entre les températures d'entrée et de sortie du fluide de refroidissement, qui est une indication directe du taux de génération de chaleur au niveau de l'arête coupante (14); et à partir de cette différence de température et de son taux de variation, on détermine l'état de l'outil de coupe (12) et des conditions d'usure et de cassure 15 de l'outil. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'outil de coupe est une plaquette remplaçable (12), et le fluide de refroidissement est de l'eau dont l'écoulement vient en contact avec une surface arrière (17) de la plaquette 20 (12). 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un outil usé est indiqué par l'élévation de la différence de température au-dessus d'une limite fixée par l'utilisateur. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en 25 ce qu'un taux d'augmentation élevé de la différence de température indique une usure rapide de l'outil (12). 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une chute brutale de la différence de température est une indication d'une cassure de l'outil (12). 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une valeur nulle de la différence de température indique une condition d'absence de coupe. 7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une valeur positive de la différence de température in35 dique une condition de coupe. 8. Procédé perfectionné de détection, au cours d'une opération d'usinage, de l'état d'un outil de coupe (12) qui est fixe sur un siège (16) monté sur un porte-outil (11), caractérisé en ce que: on établit un conduit (20, 21, 23) traversant le porte-outil (11) et le siège (16), qui passe sous l'outil de coupe (12), approximativement sous l'arête coupante (14) de ce dernier, et qui sort en traversant le siège (16) et le porte-outil (11); on fait circuler dans ce conduit (20, 21, 23) un liquide de refroidissement qui est échauffé par la cha10 leur produite par l'arête coupante (14) sous l'effet de la formation d'un copeau (15); on mesure les températures du liquide de refroidissement à l'entrée (19) et à la sortie (24) du conduit, et on calcule continuellement les différences de température et leur taux de variation; et on établit une relation en15 tre l'état de l'arête coupante (14) et les différences de température mesurées. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'opération consistant à émettre un ordre approprié vers un organe de commande (36) de machine20 outil, sous l'effet de la détection de conditions de l'outil telles qu'une usure excessive ou rapide de l'outil, une cassure de l'outil, une absence de coupe et une action de coupe effective. 10. Procéde selon la revendication 8, caractérisé en 25 ce qu'il comprend en outre l'opération consistant à produire une alarme lorsque la différence de température mesurée dépasse une limite fixée à l'avance, ce qui correspond à la détection d'un outil usé. 11. Procéde selon la revendication 8, caractérisé en 30 ce qu'il comprend en outre l'opération consistant à produire une alarme sous l'effet d'une chute brutale de la différence de température mesuree, due à une cassure de l'outil (12). 12. Dispositif perfectionné de détection en continu de l'état d'un outil, caractérisé en ce qu'il comprend: un outil de coupe (12) qui comporte une arête coupante (14) et qui est fixé sur un siège (16) monté sur un porteoutil (11); une structure de conduit (20, 21, 23) destinée à établir un écoulement de liquide de refroidissement qui vient en contact avec l'arrière (17) de l'outil de coupe (12) et qui est échauffé par la chaleur qui est produite au niveau de l'arête coupante (14) pendant l'opération d'usinage et la formation d'un copeau, cette structure de conduit (20, 21, 23) comprenant des sections de conduit d'entrée et de sortie (20, 23) dans le porte-outil (11) et une section de canal centrale (21) dans le siège (16); 10 des moyens de détection de température (26, 27, 33, 34) destinés à mesurer des températures du liquide de refroidissement dans les sections de conduit d'entrée et de sortie (20, 23) et à déterminer la différence de température qui est une indication du taux de génération de chaleur au niveau de l'arête cou15 pante (14); et des moyens (35) destinés à établir une relation entre les différences de température et leur taux de variation, d'une part, et l'état de l'outil de coupe et les conditions d'usure et de cassure de l'outil, d'autre part. 13. Système selon la revendication 12, caractérisé 20 en ce que la section de canal centrale (21) est constituée par une cavité (22) creusée dans la face supérieure du siège (16), qui est fermée de façon étanche par la surface arrière (17) de l'outil de coupe (12). 14. Système selon la revendication 12, caractérisé 25 en ce que la section de canal de sortie (23) est entourée par une isolation thermique (25). 15. Système selon la revendication 13, caractérisé en ce que les sections de conduit d'entrée et de sortie (20, 23) traversent longitudinalement le porte-outil (11) et com30 portent une entrée (19) et une sortie (24) à l'extrémité du porte-outil (11). 16. Système selon la revendication 12, caractérisé en ce que les moyens de détection de température consistent en un thermocouple différentiel (26, 27). 17. Système selon la revendication 12, caractérisé en ce que les moyens mentionnés en dernier consistent en un microprocesseur (35) qui est programmé de façon à interpréter les différences de température sous la forme de conditions de l'outil telles qu'une usure excessive, une usure rapide, une 5 cassure de l'outil, l'absence de coupe et une action de coupe effective, et à émettre des ordres appropriés vers un organe de commande (36) de machine-outil.