Brevet FR3040321A1 — publié le 20170303

Arrière-plan de l'invention La présente invention se rapporte au domaine général de l'usinage de pièces à l'aide de machines-outils. La présente invention concerne plus particulièrement un outil et un procédé de détermination du niveau d'usure d'un tel outil. Les outils utilisés dans les machines-outils pour usiner des pièces sont susceptibles de subir une usure dite en dépouille, au niveau de leur face de dépouille (c'est-à-dire la face devant laquelle passe la surface de la pièce qui vient d'être usinée), ou une usure dite en cratère, au niveau de leur face de coupe (c'est-à-dire la face sur laquelle glissent les copeaux lors de l'usinage). Ces types d'usures conduisent à l'augmentation des efforts et des vibrations lors de l'usinage, ce qui à terme induit des erreurs dans les côtes et la géométrie des pièces usinées. Des spécifications définissent généralement un critère de rebut d'un outil, correspondant à la valeur maximale de l'usure en dépouille tolérée pour l'outil. Lorsque cette valeur est dépassée, l'outil ne sera plus utilisé pour l'usinage. Aujourd'hui, l'usure en dépouille peut être contrôlée à la fin de l'usinage en démontant l'outil de son porte-outil. Une observation par binoculaire est généralement réalisée pour constater l'état de l'outil. Cependant cette méthode présente l'inconvénient d'être longue et manuelle. En outre, cette observation peut révéler : soit une usure supérieure au critère fixé, ce qui est défavorable vis-à-vis des spécifications imposées pour la qualité de l'usinage, soit une usure inférieure au critère fixé, ce qui est défavorable d'un point de vue économique car l'outil est alors mis au rebus sans avoir atteint sa durée d'utilisation maximale. Il existe donc un besoin pour disposer d'un procédé de détermination du niveau d'usure d'un outil et d'un outil qui permette de 30 mettre en oeuvre un tel procédé, qui ne présentent pas les inconvénients précités. Objet et résumé de l'invention Lors de l'usinage de pièces, la température de l'outil peut 35 atteindre au niveau de son arête de coupe des températures allant jusqu'à 1000°C. Cette augmentation est due aux efforts induits par le cisaillement 3040321 2 de la matière de la pièce qui vient d'être usinée sur la face de dépouille et aux frottements des copeaux sur la face de coupe. Au bout d'un certain temps d'utilisation, l'outil présente une usure en cratère sur sa face de coupe, et une usure en dépouille sur sa 5 face de dépouille. Ces deux types d'usure augmentent les frottements entre la pièce et l'outil, et donc la température atteinte par l'outil. Des essais ont montré que la différence de température atteinte par l'outil pendant l'usinage d'une pièce entre un outil neuf et un outil usé peut atteindre une centaine de degrés (tous les autres paramètres d'usinage 10 étant conservés, et notamment la vitesse de coupe). La présente invention permet de mettre à profit ces observations pour déterminer simplement le niveau d'usure d'un outil en proposant un outil destiné à être utilisé dans une machine-outil pour l'usinage d'une pièce, l'outil comprenant une arête de coupe située à 15 l'intersection d'une face de coupe et d'une face de dépouille, caractérisé en ce qu'au moins un élément témoin d'usure est positionné sur la face de coupe et/ou la face de dépouille de l'outil, ledit élément témoin d'usure comprenant un matériau apte à changer de propriétés physiques ou chimiques dès que la face de l'outil sur lequel il est positionné atteint une 20 température prédéterminée correspondant à un niveau d'usure de l'outil. La température prédéterminée correspondant à un niveau d'usure de l'outil peut être mesurée au préalable en observant l'évolution de la température de l'outil en fonction de son niveau d'usure. Ainsi, lorsque l'outil atteint la température prédéterminée correspondant au 25 niveau d'usure de l'outil, l'élément témoin d'usure changera de propriétés chimiques (par exemple en s'oxydant ou en subissant une réaction chimique) ou physiques (par exemple en changeant d'état, ou en perdant son aimantation). L'observation de l'élément témoin d'usure permet donc simplement de savoir si l'outil a atteint cette température prédéterminée. Cet outil est avantageux en ce qu'il est désormais possible de déterminer son niveau d'usure sans avoir à le démonter de sa machine- outil. En effet, de simples moyens d'observations (par exemple à l'oeil nu, ou avec une caméra) sont nécessaires pour vérifier si l'élément témoin d'usure a changé de propriétés chimiques ou physiques. De la sorte, il est 35 possible en utilisant un outil selon l'invention, d'automatiser la détection 3040321 3 de l'usure de l'outil et d'optimiser le temps d'utilisation d'un outil avant sa mise au rebut. Dans un exemple de réalisation, l'élément témoin d'usure comprend un matériau eutectique apte à fondre dès que la face de l'outil 5 sur lequel ledit élément témoin d'usure est positionné atteint la température prédéterminée correspondant à un niveau d'usure de l'outil. L'utilisation d'un matériau eutectique permet d'avoir un élément témoin d'usure qui peut fondre à une température fixée. De la sorte, lorsque la température prédéterminée correspondant à un niveau d'usure de l'outil 10 est atteinte, l'élément témoin d'usure fond et est entraîné par les copeaux et le liquide de lubrification. L'absence du témoin indique que l'outil a atteint le niveau d'usure prédéterminé et qu'il peut être mis au rebut. Un tel matériau eutectique peut par exemple être choisi parmi : or/germanium (Au88/Ge12), indium/plomb (In60/Pb40), indium/étain 15 (In52/Sn48). Dans un autre exemple de réalisation, l'élément témoin d'usure comprend un matériau apte à s'oxyder dès que la face de l'outil sur lequel ledit élément témoin d'usure est positionné atteint la température prédéterminée correspondant à un niveau d'usure de l'outil, l'oxydation 20 dudit matériau entraînant un changement de couleur dudit élément témoin d'usure. De la sorte, lorsque la température prédéterminée correspondant à un niveau d'usure de l'outil est atteinte, l'élément témoin d'usure change de couleur. Lorsque l'on détecte que la couleur de l'élément a changé, l'outil peut être mis au rebut. Un tel matériau pouvant 25 changer de couleur en s'oxydant peut par exemple être choisi parmi : les peintures thermosensibles, un alliage base fer ou de magnésium. Dans encore un autre exemple de réalisation, l'élément témoin d'usure comprend un matériau magnétique dont la température de Curie est sensiblement égale à la température prédéterminée correspondant à 30 un niveau d'usure de l'outil. Par matériau magnétique, on entend les matériaux présentant une aimantation spontanée (c'est-à-dire ferromagnétiques ou ferrimagnétiques). L'élément témoin d'usure adhère grâce à son aimantation à l'outil. De la sorte lorsque la température prédéterminée correspondant à un niveau d'usure de l'outil est atteinte, l'élément témoin d'usure perd son aimantation spontanée et se détache de l'outil. L'absence de l'élément témoin d'usure indique ainsi que l'outil peut 3040321 4 être mis au rebut. Un tel matériau magnétique peut être par exemple choisi parmi : la magnétite, les ferrites, les alliages fer-silicium, les alliages fer-nickel, le nickel pur... Une machine-outil comprenant un outil tel que celui décrit 5 précédemment est également objet de la présente invention. L'invention vise encore un procédé de détermination du niveau d'usure d'un outil destiné à être utilisé dans une machine-outil pour l'usinage d'une pièce, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : 10 - la détermination d'une température de l'outil correspondant à un niveau d'usure de l'outil, - le positionnement sur une face de dépouille et/ou une face de coupe de l'outil d'au moins un élément témoin d'usure, ledit élément témoin d'usure comprenant un matériau apte à changer de propriétés 15 physiques ou chimiques dès que la face de l'outil sur lequel ledit élément témoin d'usure est positionné atteint la température correspondant au niveau d'usure de l'outil, et - l'observation de l'élément témoin d'usure à l'aide de moyens d'observation. 20 De préférence également, les moyens d'observation comprennent une caméra connectée à un ordinateur ou un palpeur connecté à un ordinateur. L'invention vise aussi un procédé d'usinage d'une pièce à l'aide d'un outil, le procédé comprenant une étape d'usinage de la pièce, 25 caractérisé en ce qu'un niveau d'usure de l'outil est déterminé à l'aide d'un procédé de détermination du niveau d'usure d'un outil tel que celui décrit précédemment. L'invention vise enfin un procédé de changement d'un outil tel que celui présenté plus haut, le procédé comprenant les étapes 30 suivantes : - la détermination de manière automatique du niveau d'usure de l'outil en fonction de l'état de l'élément témoin d'usure, - l'envoi d'un signal à un opérateur indiquant que l'outil doit être changé, et/ou 35 - l'envoi d'un signal de commande à un système de changement automatique de l'outil indiquant que l'outil doit être changé. 3040321 5 Pour déterminer de manière automatique le niveau d'usure de l'outil en fonction de l'état de l'élément témoin d'usure, on peut par exemple déterminer la présence ou l'absence de l'élément témoin d'usure, ou encore déterminer sa couleur. L'état de l'élément témoin d'usure peut 5 être déterminé par exemple par le biais de moyens d'observation tels qu'une caméra, par une mesure dimensionnelle directe ou indirecte (palpeur, scanneur laser, etc.). D'autres moyens sont bien entendu envisageables tant qu'ils permettent d'évaluer la perte ou le changement de propriétés de l'élément témoin d'usure. A titre d'exemple, il peut être 10 possible de mesurer le taux d'oxygène présent dans l'élément témoin d'usure pour déterminer si celui-ci s'est oxydé (et a changé de couleur le cas échéant). Un signal pour l'opérateur peut par exemple être un signal visuel tel qu'un message affiché sur un écran de contrôle de la machine- 15 outil, ou simplement un voyant lumineux sur le tableau de commande de la machine-outil, ou encore un signal sonore. Le système de changement automatique de l'outil peut être intégré dans la machine-outil, et être apte à changer l'outil automatiquement dès qu'il reçoit le signal de commande correspondant. 20 Le procédé de changement d'outil précédent peut être mis en oeuvre par un programme d'ordinateur exécutable par un ordinateur et comprenant les instructions adéquates. Un tel programme d'ordinateur comprenant des instructions pour l'exécution des étapes du procédé de changement d'outil précédent peut être enregistré sur un support lisible 25 par un ordinateur. Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins 30 annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures : - la figure 1 est une vue en perspective d'un porte-outil de machine-outil en train d'usiner une pièce selon un mode de réalisation de l'invention, 35 - la figure 2 est une vue en coupe du porte-outil de la figure 1, et 3040321 6 - la figure 3 est un ordinogramme illustrant un procédé d'usinage et de détermination du niveau d'usure d'un outil selon l'invention. 5 Description détaillée de l'invention La présente invention est applicable à tout type de machines-outils utilisées pour réaliser des opérations d'usinage par enlèvement de copeaux, telles que : tournage, perçage, fraisage, brochage, taillage,... La figure 1 montre un porte-outil 1 d'une machine-outil (non 10 représentée) comprenant un outil 2 utilisé pour usiner une pièce 3 (seule la surface à usiner de la pièce est représentée ici). L'outil 2 comprend généralement un matériau plus dur que celui de la pièce à usiner, par exemple il peut comprendre un acier rapide supérieur, du carbure de tungstène, une céramique, du carbure de bore, ou encore du diamant. 15 Lors de l'usinage de la pièce 3, l'outil 2 est déplacé avec une certaine vitesse (relative) de coupe sur la surface à usiner. Lorsque l'outil 2 avance, un enlèvement de matière est réalisé sur la pièce 3 prenant la forme d'un copeau 4. De façon connue en soi, un outil 2 présente une arête de coupe 20 20 à l'intersection d'une face de coupe 21 et d'une face de dépouille 22. La face de coupe 21 est la face de l'outil devant laquelle passent les copeaux 4 au cours de l'usinage, alors que la face de dépouille 22 est celle devant laquelle passe la surface 30 de la pièce qui vient d'être usinée. Après une certaine durée d'utilisation de l'outil, la face de coupe 25 21 peut présenter une usure dite en cratère, et la face de dépouille 22 peut présenter une usure dite en dépouille. Ces deux types d'usure entraînent une augmentation des efforts, des vibrations et des frottements entre l'outil 2 et la pièce 3. La température de l'outil 2 est augmentée considérablement à cause de son usure avec le temps. 30 Conformément à l'invention, l'outil 2 présente sur sa face de coupe 21 un élément témoin d'usure 5 comprenant un matériau apte à changer de propriétés physiques ou chimiques à partir d'une température correspondant à un niveau d'usure de l'outil. Sur la figure 1, l'élément témoin d'usure 5 prend la forme d'une pastille collée sur la face de coupe 35 21. On notera que l'élément témoin d'usure 5 peut prendre également la 3040321 7 forme d'un revêtement déposé sur l'une et/ou l'autre des faces de coupe 21 et de dépouille 22. Un procédé d'usinage d'une pièce comprenant un procédé de détermination du niveau d'usure d'un outil selon l'invention, va maintenant 5 être décrit en lien avec l'ordinogramme de la figure 3. La première étape (El) d'un tel procédé consiste à déterminer la température de rebut de l'outil Trebut, c'est-à-dire la température atteinte par l'outil 2 lorsqu'il présente un niveau d'usure donné (en général, le niveau d'usure maximal toléré par un cahier des charges). Pour ce faire, il 10 est possible de mesurer la température de l'outil à l'aide par exemple d'un thermocouple, d'un thermomètre, d'une caméra thermique, etc. et d'une série d'essais. On veillera à conserver les conditions de la découpe constantes (vitesse de coupe, matériau usiné, etc.). Il est également possible d'obtenir une estimation de la température de rebut à l'aide de 15 simulations numériques (ces estimations permettent d'évaluer la température de rebut typiquement à 50°C près). L'étape suivante (E2) consiste à choisir un matériau adéquat pour l'élément témoin d'usure 5. On peut par exemple utiliser une pastille d'un matériau dit 20 eutectique, qui sera apte à fondre à une température précise Teutec et tel que la température de fusion de l'eutectique soit sensiblement égale à la température de rebut, par exemple : Teutec ee Trebut ±10°C. La pastille peut être collée sur la face de coupe (comme sur la figure 1) ou sur la face de dépouille 22. Ainsi, quand la température de l'outil 2 dépasse Trebut, la 25 pastille fond et est entraînée par les copeaux 4 et le liquide de lubrification. En variante, le matériau de l'élément témoin d'usure peut être choisi parmi les matériaux qui sont aptes à changer de couleur irréversiblement, notamment par oxydation, dès que la température de 30 rebut Trebut de l'outil est atteinte. La température à partir de laquelle se produit l'oxydation doit être sensiblement égale à la température de rebut, par exemple égale à Trebut ± 20°C. A titre d'exemple, un tel matériau peut être choisi parmi les peintures thermosensibles, ou certains aciers. En variante encore, le matériau de l'élément témoin d'usure 35 peut être un matériau magnétique ayant une aimantation spontanée. Ce matériau magnétique doit présenter une température de Curie Tc qui soit 3040321 8 sensiblement égale à la température de rebut, par exemple égale à Trebut ± 20°C. Ainsi, lorsque la température Trebut sera atteinte par l'outil, le matériau magnétique va perdre irréversiblement son aimantation et l'élément témoin d'usure va se détacher de l'outil. 5 On positionne (étape E3) ensuite un élément témoin d'usure 5 sur la face de coupe 21 et/ou sur la face de dépouille 22, en veillant à l'éloigner suffisamment de l'arête de coupe 20 pour éviter qu'il ne soit endommagé ou retiré de l'outil 2 avant que l'outil n'atteigne son niveau d'usure maximal toléré. En outre, dans le cas où l'élément témoin d'usure 10 5 est positionné sur la face de coupe 21, on veillera à ce que les copeaux 5 ne frottent pas sur l'élément témoin d'usure 5 lors de l'usinage de la pièce. Selon le matériau formant l'élément témoin d'usure 5, ce dernier pourra être collé, peint, ou déposé sur la face considérée. L'outil 2 muni de son élément témoin d'usure 5 peut alors être 15 utilisé (étape E4) pour usiner une pièce 3. Après l'usinage de la pièce, l'outil est séché ou nettoyé (étape E5) avec de l'air soufflé sur la face de l'outil comprenant l'élément témoin d'usure 5, afin d'éliminer les copeaux 4 et les traces de liquide de lubrification. Une fois l'outil nettoyé et séché, une étape d'observation de 20 l'élément témoin d'usure (étape E6) est réalisée à l'aide de moyens d'observation. Cette étape peut consister en la détermination de la présence ou de la couleur de l'élément témoin d'usure 5. Dans l'exemple illustré sur la figure 1, les moyens d'observation comprennent une caméra 6 connectée à un ordinateur 7. On peut aussi utiliser un appareil de type 25 palpeur connecté à un ordinateur pour déterminer la présence de l'élément témoin d'usure. Il peut être également possible de mesurer la teneur en oxygène de l'élément témoin d'usure pour déterminer s'il s'est oxydé ou non (et s'il a changé de couleur le cas échéant). L'ordinateur 7 peut déterminer si l'élément témoin d'usure 5 est 30 toujours présent ou non, ou vérifier si sa couleur a changé suite à l'usinage d'une pièce 3. Ainsi, si l'élément témoin d'usure 5 a disparu ou s'il a changé de couleur, c'est que l'outil a atteint sa température de rebut et son niveau d'usure maximal toléré. Il ne doit plus être utilisé pour usiner d'autres pièces et peut être mis au rebut (étape E7). 35 Les étapes d'usinage et de détermination de la présence ou du changement de couleur de l'élément témoin d'usure peuvent être 3040321 9 automatisées. L'ordinateur 7 connecté à la caméra 6 ou au palpeur permet alors de décider automatiquement de la mise au rebut d'un outil à l'aide d'un programme d'ordinateur dédié. Lorsque le niveau d'usure maximal toléré de l'outil a été dépassé (ce qui peut être déterminé en observant 5 l'état de l'élément témoin d'usure), le programme peut alors envoyer un signal visuel sur l'écran de commande de la machine-outil, en allumant un voyant lumineux, ou encore en déclenchant un signal sonore, pour indiquer à l'opérateur qu'il faut changer l'outil. Le programme peut également envoyer un signal de commande 10 à un système permettant de changer automatiquement l'outil, le système pouvant être intégré à la machine-outil. Un tel programme peut être stocké sur un support d'enregistrement lisible par un ordinateur. On notera que l'outil et le procédé qui ont été décrits précédemment sont prévus pour être utilisés ou mis en oeuvre dans le 15 cadre d'usinages dans des conditions opératoires fixées. En effet, la température de rebut est dépendante des conditions opératoires, et notamment du matériau usiné ou de la vitesse de déplacement de l'outil. Premier exemple 20 Un outil constitué par une plaquette de tournage en carbure de tungstène est utilisé pour usiner une pièce en alliage à base d'aluminium. La vitesse de coupe est de l'ordre de 1000 m/min et la température de rebut a été évaluée à 350°C environ suivant les exigences du cahier des charges. 25 On colle sur la face de dépouille de l'outil une pastille comprenant un matériau eutectique du type or/germanium (Au88/Ge12). La pastille présente ainsi un point de fusion compris entre 340°C et 350°C, et sera éliminée de l'outil quand cette température sera atteinte. L'absence de la pastille indique ainsi que l'outil peut être mis au rebut. 30 Deuxième exemple Un outil constitué par une plaquette de tournage en carbure de tungstène est utilisé pour usiner une pièce en alliage à base de titane du type TA6V. 3040321 10 La vitesse de coupe est de l'ordre de 120 m/min et la température de rebut a été évaluée à 550°C environ suivant les exigences du cahier des charges. On a collé sur la face de dépouille de l'outil une pastille 5 comprenant un alliage à base de fer du type acier 1018. La pastille est de couleur grise lorsqu'elle est collée sur l'outil. Lorsqu'elle atteint 550°C environ, la pastille s'oxyde et devient violet-bleue. Ainsi, quand la couleur de la pastille change, l'outil peut être mis au rebut. 10 Troisième exemple Un outil constitué par une plaquette de tournage en carbure de tungstène est utilisé pour usiner une pièce en alliage à base de titane du type TA6V. 15 La vitesse de coupe est de l'ordre de 120 m/min et la température de rebut a été évaluée à 630°C environ suivant les exigences du cahier des charges. On a déposé sur la face de dépouille de l'outil une pastille comprenant du nickel pur, la pastille est maintenue sur l'outil grâce à son 20 aimantation. Lorsque la température de Curie du nickel (de l'ordre de 630°C) est dépassée, la pastille perd son aimantation et se détache de l'outil, ce dernier peut alors être mis au rebut. REVENDICATIONS1. Outil (2) destiné à être utilisé dans une machine-outil pour l'usinage d'une pièce (3), l'outil comprenant une arête de coupe (20) située à l'intersection d'une face de coupe (21) et d'une face de dépouille (22), caractérisé en ce qu'au moins un élément témoin d'usure (5) est positionné sur la face de coupe et/ou la face de dépouille de l'outil, ledit élément témoin d'usure comprenant un matériau apte à changer de propriétés physiques ou chimiques dès que la face de l'outil sur lequel il est positionné atteint une température prédéterminée correspondant à un niveau d'usure de l'outil. 2. Outil selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément témoin d'usure (5) comprend un matériau eutectique apte à fondre dès que la face de l'outil sur lequel ledit élément témoin d'usure est positionné atteint la température prédéterminée correspondant à un niveau d'usure de l'outil. 3. Outil selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément témoin d'usure (5) comprend un matériau apte à s'oxyder dès que la face de l'outil sur lequel ledit élément témoin d'usure est positionné atteint la température prédéterminée correspondant à un niveau d'usure de l'outil, l'oxydation dudit matériau entraînant un changement de couleur dudit élément témoin d'usure. 4. Outil selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément témoin d'usure (5) comprend un matériau magnétique dont la température de Curie est sensiblement égale à la température prédéterminée correspondant à un niveau d'usure de l'outil. 5. Machine-outil destinée à être utilisée pour usiner des pièces, caractérisée en ce qu'elle comprend un outil (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4. 3040321 12 6. Procédé de détermination du niveau d'usure d'un outil (2) destiné à être utilisé dans une machine-outil pour l'usinage d'une pièce (3), caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - la détermination (El) d'une température de l'outil 5 correspondant à un niveau d'usure de l'outil, - le positionnement (E3) sur une face de dépouille (22) et/ou une face de coupe (21) de l'outil d'au moins un élément témoin d'usure (5), ledit élément témoin d'usure comprenant un matériau apte à changer de propriétés physiques ou chimiques dès que la face de l'outil sur lequel 10 ledit élément témoin d'usure est positionné atteint la température correspondant au niveau d'usure de l'outil, et - l'observation (E6) de l'élément témoin d'usure (5) à l'aide de moyens d'observation (6, 7). 15 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend en outre avant l'observation de l'élément témoin d'usure (5), une étape de séchage (E5) de la face sur laquelle est positionné l'élément témoin d'usure. 20 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que les moyens d'observation comprennent une caméra (6) connectée à un ordinateur (7) ou un palpeur connecté à un ordinateur (7). 25 9. Procédé d'usinage d'une pièce (3), le procédé comprenant une étape d'usinage de la pièce (E4) à l'aide d'un outil (2), caractérisé en ce qu'un niveau d'usure de l'outil est déterminé à l'aide d'un procédé de détermination du niveau d'usure d'un outil selon l'une quelconque des revendications 6 à 8. 30 10. Procédé de changement d'un outil (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, le procédé comprenant les étapes suivantes : - la détermination de manière automatique du niveau d'usure de l'outil en fonction de l'état de l'élément témoin d'usure (5), 3040321 13 - l'envoi d'un signal à un opérateur indiquant que l'outil doit être changé, et/ou - l'envoi d'un signal de commande à un système de changement automatique de l'outil indiquant que l'outil doit être changé. 5