Brevet FR3036642A1 — publié le 20161202

Arrière-plan de l'invention La présente invention se rapporte au domaine général des procédés de découpe de pièces au jet d'eau. L'invention concerne plus particulièrement la détermination de la vitesse de découpe au jet d'eau d'une pièce. La vitesse de découpe, qui correspond à la vitesse à laquelle le jet d'eau sous pression se déplace par rapport à la surface d'une pièce à découper, est un paramètre déterminant dans un procédé de découpe au jet d'eau. En effet, il conditionne d'une part la rapidité avec laquelle les pièces sont découpées, et d'autre part la qualité de la découpe. Par qualité de la découpe, on entend la qualité de la surface de la face de découpe qui résulte de la découpe. Lors de la découpe au jet d'eau, on peut observer sur la face de 15 découpe de la pièce : - des striations prenant la forme de lignes courbes sur la face de découpe qui correspondent à un retard du jet d'eau entre la partie supérieure de la pièce et la partie inférieure, - un certain angle de dépouille, et 20 - une certaine rugosité de la surface. Ces phénomènes sont amplifiés lorsque la vitesse de découpe est surestimée, les pièces découpées ne satisfaisant pas certaines exigences d'état de surface de la face de découpe étant alors envoyées au rebut. 25 Lors de l'élaboration du protocole de découpe au jet d'eau d'une pièce d'un nouveau matériau, ou d'épaisseurs qui n'ont pas encore été découpées auparavant, l'opérateur procède par une technique d'essais/erreurs pour déterminer quelle vitesse de découpe donne le meilleur compromis entre un temps de découpe acceptable et un état de 30 surface de la face de découpe qu'il juge satisfaisant. Ainsi, une grande quantité d'essais, parfois aléatoires, et de pièces sont nécessaires pour mettre au point le protocole de découpe au jet d'eau. Le nombre d'essais est encore augmenté si la pièce est complexe et présente une grande variété d'épaisseurs à découper. Le 35 temps et les coûts d'élaboration du protocole pour chaque nouvelle pièce à découper peuvent alors être considérables. 3036642 2 Il est donc souhaitable de disposer d'un procédé de découpe au jet d'eau d'une pièce qui ne présente pas les inconvénients précités. Objet et résumé de l'invention 5 La présente invention a donc pour but principal de pallier de tels inconvénients en proposant un procédé de découpe au jet d'eau d'une pièce ayant une épaisseur variable, la pièce une fois découpée comprenant une face de découpe ayant un état de surface défini par au moins un critère d'état de surface, caractérisé en ce qu'il comprend 10 successivement les étapes suivantes : - la détermination d'une valeur prédéfinie pour au moins un critère d'état de surface de la face de découpe de la pièce, - la détermination pour une première épaisseur, d'une vitesse de découpe permettant d'obtenir sensiblement la valeur prédéfinie dudit au 15 moins un critère d'état de surface de la face de découpe, de manière à définir un premier couple épaisseur - vitesse de découpe, - la détermination pour une deuxième épaisseur différente de la première, d'une vitesse de découpe permettant d'obtenir sensiblement la valeur prédéfinie dudit au moins un critère d'état de surface de la face de 20 découpe, de manière à définir un deuxième couple épaisseur - vitesse de découpe, - l'extrapolation d'une courbe définissant une vitesse de découpe en fonction d'une épaisseur découpée, ladite courbe étant extrapolée à partir des deux points correspondant respectivement au 25 premier et au deuxième couple épaisseur - vitesse de découpe, et - la découpe de la pièce en faisant varier la vitesse de découpe en fonction de l'épaisseur découpée, la vitesse de découpe étant ajustée à l'aide de la courbe extrapolée précédemment. Le procédé selon l'invention permet de disposer d'une courbe 30 donnant la vitesse de découpe à utiliser en fonction de l'épaisseur de la pièce à découper (les autres conditions opératoires telles que la pression de jet, la taille de la buse, etc. étant fixées). Par vitesse de découpe, on entend la vitesse à laquelle se déplace le jet d'eau sous pression sur la pièce à découper. Cette courbe est alors valable pour toutes les épaisseurs 35 d'une pièce d'un matériau choisi, et pour un état de surface de la face de découpe (la face de découpe étant la face qui apparaît suite à la découpe) 3036642 3 prédéfini, l'état de surface de la face de découpe est donc supposé sensiblement constant le long de la courbe. L'utilisation d'un tel procédé pour découper une pièce au jet d'eau permet de réduire les coûts et les temps de mise au point du 5 protocole de découpe. En effet, pour mettre au point par extrapolation la courbe de référence présentée précédemment, seuls deux points sont nécessaires (correspondant à deux couples de valeurs d'épaisseur et de vitesse de découpe), et donc seules deux épaisseurs sont à caractériser. Ainsi, on minimise le nombre de pièces nécessaires pour mettre au point 10 la courbe (ces pièces sont généralement jetées à l'issu de la mise au point du protocole de découpe). Le procédé permet ainsi de rendre systématique la mise au point de la courbe de référence, et de l'utiliser ensuite pour des pièces ayant des épaisseurs différentes, tant que le matériau et les autres conditions de la découpe sont conservées. La découpe peut ensuite être réalisée en ajustant finement les paramètres de vitesse de découpe. Par exemple, on pourra programmer l'outillage de découpe avec la courbe de référence et les dimensions de la pièce pour adapter la vitesse de découpe de la pièce en fonction de l'épaisseur découpée (cette épaisseur pouvant varier au sein de la même pièce à découper). Le temps de découpe et la qualité de la découpe sont donc optimisés grâce à un tel procédé. Les inventeurs ont déterminé expérimentalement qu'une courbe définissant une vitesse de découpe en fonction de l'épaisseur découpée peut être donnée par la formule : V=A.EpB où V est la vitesse de découpe en mm/min, Ep est l'épaisseur de la pièce en mm, et, A et B sont des constantes. L'extrapolation de la courbe est alors réalisée en calculant les constantes A et B grâce aux deux couples déterminés pour une même valeur prédéfinie du critère d'état de surface. Par exemple, on peut effectuer une régression linéaire à partir de la formule log(V)=Iog(A)+B.log(Ep) et des deux couples déterminés précédemment qui vérifient cette formule. Pour déterminer, pour une épaisseur considérée, un couple épaisseur - vitesse de découpe, on peut effectuer successivement les étapes suivantes : - le choix d'une pluralité de vitesses de découpe, 3036642 4 - la découpe, pour chaque vitesse de découpe choisie, d'une pièce ayant l'épaisseur considérée, et - la sélection d'une vitesse de découpe en fonction de la valeur du au moins un critère d'état de surface de la face de découpe obtenue 5 pour chacune des vitesses de découpe choisies, par rapport à la valeur prédéfinie dudit au moins un critère d'état de surface. Par exemple, on peut choisir trois vitesses de découpe pour la première épaisseur, puis on découpe une éprouvette ayant cette épaisseur aux trois vitesses de découpe choisies, et on choisit une vitesse de 10 découpe en fonction de la valeur prédéfinie du critère d'état de surface. L'opération est répétée ensuite de manière identique pour la deuxième épaisseur. Le choix de la vitesse de découpe peut se faire en prenant l'une des vitesses de découpe choisies qui entraîne la valeur du critère d'état de 15 surface de la face de découpe la plus proche de la valeur prédéfinie au départ. En variante, on peut aussi choisir une vitesse de découpe intermédiaire entre deux vitesses de découpe choisies, ou une vitesse autre, selon l'appréciation de l'opérateur. De préférence, le critère d'état de surface de la face de découpe 20 est choisi parmi : un taux de rugosité arithmétique, un angle de dépouille, un angle de striation. De préférence également, la différence entre la première et la deuxième épaisseur est supérieure ou égale à 40 mm. 25 Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures : 30 - la figure lA est une vue d'une face de découpe illustrant le phénomène de striations, - la figure 1B est une vue en coupe agrandie selon le plan B de la pièce de la figure lA illustrant la rugosité de la face de découpe, - la figure 2 est une vue en perspective d'une pièce découpée 35 illustrant le phénomène de dépouille, 3036642 5 - la figure 3 est un graphe montrant l'évolution du logarithme de la vitesse de découpe en fonction du logarithme de l'épaisseur découpée, pour différents essais expérimentaux, - la figure 4 montre une courbe extrapolée définissant la vitesse 5 de découpe en fonction de l'épaisseur découpée, et - la figure 5 est un ordinogramme illustrant les différentes étapes d'un procédé selon l'invention. Description détaillée de l'invention 10 La figure lA illustre le phénomène de striations pouvant apparaître sur la face de découpe 2 d'une pièce 1 découpée par un jet d'eau se déplaçant dans la direction donnée par la flèche 4. Les striations 3 sont des lignes courbes qui sont créées par le jet d'eau lors de son passage, et qui sont dues notamment au ralentissement du jet 15 lorsqu'il traverse la pièce dans son épaisseur et à la vitesse avec laquelle il se déplace. On comprend alors que les striations 3, qui sont caractérisées par un angle de striation a, seront plus importantes si la vitesse de découpe est élevée. La figure 1B, qui est une vue agrandie en coupe selon le plan B 20 de la figure 1A, illustre quant à elle la rugosité de la surface. Cette rugosité peut être caractérisée par le taux de rugosité arithmétique Ra dont la définition est connue en soi. La figure 2 illustre quant à elle le phénomène de dépouille qui est lui aussi dû à un ralentissement du jet d'eau lorsqu'il traverse 25 l'épaisseur de la pièce, et à la vitesse de déplacement du jet d'eau. Ce phénomène peut être quantifié en mesurant l'angle de dépouille e, visible sur la figure 2. Comme pour l'angle de striation, l'angle de dépouille e est plus grand quand le jet d'eau se déplace avec une vitesse plus élevée. L'angle de striation et l'angle de dépouille peuvent être mesurés 30 à l'aide d'un appareil d'observation tel qu'un microscope, ou encore à l'oeil nu. La rugosité arithmétique peut quant à elle être évaluée en utilisant un profilomètre sur la face de découpe 2. Les inventeurs ont voulu mettre au point une méthode simple, peu coûteuse et fiable pour prédire la vitesse de découpe jet d'eau à 35 utiliser en fonction de l'épaisseur découpée, en conservant les autres paramètres de la découpe jet d'eau fixés (comme par exemple la taille de 3036642 6 la buse, la pression du jet, etc.), et en choisissant un état de surface prédéfini. Pour ce faire, les inventeurs ont cherché à déterminer, à conditions opératoires fixées, une loi de variation de la vitesse de découpe 5 en fonction de l'épaisseur découpée, pour un état de surface de la face de découpe prédéfini. La figure 3 est un graphe montrant, pour trois conditions opératoires différentes (Essai A, Essai B et Essai C), la variation du logarithme de vitesses de découpe déterminées expérimentalement, en 10 fonction de l'épaisseur découpée, pour un état de surface sensiblement identique au cours de chaque essai (l'état de surface étant caractérisé par au moins un critère d'état de surface, par exemple parmi ceux présentés précédemment). Les quatre points constituant chaque Essai A, B ou C sont alignés dans le plan (log(V) ; log(Ep)). Les inventeurs ont alors déduit de 15 ces mesures l'existence d'une loi exponentielle liant la vitesse de découpe à l'épaisseur découpée, cette loi étant donnée par la formule (1) suivante : (1) V=A.EpB où V est la vitesse de découpe en mm/min, Ep est l'épaisseur de la pièce en mm, et, A et B sont des constantes qui dépendent des conditions 20 opératoires (fixées). Par conséquent, la détermination, pour deux épaisseurs suffisamment éloignées l'une de l'autre (par exemple éloignées d'au moins 40 mm), des deux vitesses de découpe correspondant à ces épaisseurs et donnant un état de surface prédéfini de la face de découpe, permet de 25 calculer les constantes A et B. On peut ainsi obtenir, par extrapolation à partir de deux points, une courbe définissant la vitesse de découpe quelle que soit l'épaisseur découpée. Un exemple de courbe dans le plan (V; Ep) obtenue après extrapolation est illustré sur la figure 4. Bien entendu, cette courbe n'est utilisable que dans les conditions opératoires fixées qui ont 30 permis de la réaliser, notamment l'état de surface souhaité, les caractéristiques du jet d'eau et le matériau formant la pièce à découper. Le procédé selon l'invention va maintenant être décrit étape par étape dans son application à la découpe d'une pièce d'épaisseur variable comprise entre une épaisseur Epmin et une épaisseur Epmax, différente de 35 Epmin. La figure 5 montre un ordinogramme résumant les différentes étapes d'un tel procédé de découpe. 3036642 7 Une valeur prédéfinie pour au moins un critère d'état de surface de la face de découpe 2 de la pièce 1 est tout d'abord déterminée (étape El). Par exemple, on peut choisir une valeur prédéfinie pour un angle de striation ap ou un angle de dépouille fie, ou encore une valeur prédéfinie 5 du taux de rugosité arithmétique R. Cette valeur prédéfinie caractérise ainsi l'état de surface voulu pour la face de découpe 2 de la pièce 1, et peut être dictée par exemple par un cahier des charges. On détermine ensuite (étape E2), pour la première épaisseur Eprmn, une vitesse de découpe VEprnin permettant d'obtenir sensiblement la 10 valeur prédéfinie du critère d'état de surface de la face de découpe (on peut également choisir plusieurs critères d'état de surface de la face de découpe). Pour ce faire, on choisit plusieurs vitesses de découpe (étape E21), par exemple trois vitesses différentes V1, V2 et V3. On découpe 15 (étape E22) ensuite une ou plusieurs pièces (du type éprouvettes par exemple) ayant la première épaisseur Epmin, aux vitesses de découpe V1, V2 et V3. Pour chaque vitesse de découpe V1, V2 et V3, on obtient trois faces de découpe ayant chacune un état de surface différent, que l'on 20 peut caractériser par le critère d'état de surface choisi précédemment. Par exemple, on peut mesurer, pour chaque face de découpe correspondant à chaque vitesse V1, V2 et V3, l'angle de striation ou l'angle de dépouille à l'aide d'un microscope optique, et le taux de rugosité arithmétique à l'aide d'un profilomètre. 25 On compare ensuite la valeur du (ou des) critère(s) d'état de surface mesurés précédemment, avec la (ou les) valeur(s) prédéfinie(s) initialement. Puis, on sélectionne (étape E23) la valeur de la vitesse de découpe VEpmin 30 - soit en choisissant parmi les vitesses V1, V2 et V3, la vitesse de découpe donnant la valeur du (ou des) critère(s) d'état de surface la plus proche de la (ou les) valeur(s) prédéfinie(s) initialement, - soit en choisissant une vitesse de découpe différente de V1, V2 et V3, par exemple légèrement supérieure à la plus grande des 35 vitesses V1, V2 ou V3, ou légèrement inférieure à la plus petite des 3036642 8 vitesses V1, V2 ou V3, ou encore comprise entre deux vitesses choisies parmi V1, V2 et V3. A l'issue de ces étapes du procédé, un premier couple (Epmin, VEpmin) est défini. 5 On procède de manière identique pour l'épaisseur Epmax, afin de définir un deuxième couple (Epmax, VEpmax) (étape E3). Il est à noter que les vitesses de découpe V1', V2' et V3' (choisies à l'étape E31) qui sont utilisées pour découper une pièce à Epmax (étape E32), puis pour sélectionner VEpmax (étape E33) peuvent être différentes des vitesses V1, 10 V2 et V3 utilisées pour sélectionner VEmin. La courbe définissant la vitesse de découpe en fonction de l'épaisseur étant décroissante, il est préférable de choisir des vitesses V1', V2' et V3' qui sont inférieures aux vitesses V1, V2 et V3. Ensuite, en utilisant les deux couples (En v ) r-min, Epmin, e, 15 (Epmax, VEpmax), on extrapole (étape E4) la courbe donnée par la formule (1). Par exemple, on peut résoudre le système suivant pour calculer les constantes A et B : log VEpmin = log A + B. log Epniin tlog VEp. = log A + B. log Epn,', Une fois ces constantes calculées, on peut extrapoler la courbe V=f(Ep) et la tracer. Cette courbe peut être ainsi utilisée comme un 20 abaque donnant la vitesse de découpe à utiliser en fonction de l'épaisseur découpée, pour obtenir l'état de surface de la face de découpe 2 prédéfini initialement à l'étape El, dans les conditions opératoires fixées initialement. Enfin, un outillage de découpe peut être programmé pour 25 ajuster, à l'aide de la courbe extrapolée précédemment, la vitesse de découpe à utiliser pour découper la pièce (étape E5) en fonction de l'épaisseur découpée. Ce procédé permet ainsi une optimisation précise du temps de découpe, tout en assurant un état de surface sensiblement constant, quelle que soit l'épaisseur découpée dans la pièce. 30 On notera que les épaisseurs Epmin et Epmax présentées précédemment peuvent ne pas être des épaisseurs choisies dans la pièce, mais être supérieures ou inférieures aux épaisseurs extrémales dans la pièce. On veillera cependant à ce que la différence entre ces deux 3 0 3 6 6 4 2 9 épaisseurs soit suffisante, par exemple supérieure à 40 mm, pour augmenter la fiabilité de l'étape E4 d'extrapolation de la courbe. Dans le présent exposé, l'expression « compris entre ... et ... » doit être comprise comme incluant les bornes. 5 Exemple On considère une pièce à découper en alliage métallique TiAl 48-2-2, présentant une épaisseur variable comprise entre 5 mm et 60 mm. 10 Le jet d'eau présente les caractéristiques définies par le tableau suivant : Diamètre de buse Pression jet Abrasif Grenat (mesh) Débit abrasif 0,41 mm 315 bars 30-60 700 g/min On définit un angle de striation prédéfini a2 compris entre 5° et 15 6° pour la face de découpe de la pièce (cahier des charges). Pour découper cette pièce, on va tout d'abord commencer par obtenir la courbe définissant la vitesse de découpe en fonction de l'épaisseur découpée, pour l'angle de striation prédéfini ot2. Les deux épaisseurs Epm,n et Eprnax seront respectivement les 20 épaisseurs limites de la pièce, soit 10 mm et 50 mm. Le tableau suivant résume les vitesses de découpe testées pour chaque épaisseur, ainsi que les angles de striation obtenus pour les faces de découpe correspondantes : Épaisseurs (mm) Eprnin = 10 Epmax = 50 Vitesses de découpe V1 V2 V3 V1' V2' V3' (mm/min) 160 208 267 17,6 27 37 Angle de striation (°) 5,7 11,6 17,7 3,4 5,2 7,5 25 On sélectionne ensuite VEmin=160 mm/min et VEpmax=27 mm/min, car ces deux vitesses donnent des angles de striation qui sont compris dans la gamme donnée par le cahier des charges. 3036642 10 On calcule ensuite à l'aide des couples (Epmin, VEpmin) et (EPmax, VEpmax)/ les constantes A et B de la courbe à extrapoler. On obtient A= 2040 m1n-1 et B= -1,11. Ces constantes sont entrées dans l'outillage de découpe avec la 5 formule V=A.EpB. La pièce est ensuite découpée, la vitesse de découpe étant automatiquement ajustée par l'outillage en fonction de l'épaisseur qui est découpée. Le paramétrage de l'outillage ainsi réalisé peut être conservé pour découper d'autres pièces de formes et d'épaisseurs différentes, tant 10 que les conditions de découpe et l'état de surface prédéfini de la face de découpe sont les mêmes. REVENDICATIONS1. Procédé de découpe au jet d'eau d'une pièce (1) ayant une épaisseur (Ep) variable, la pièce une fois découpée comprenant une face de découpe (2) ayant un état de surface défini par au moins un critère d'état de surface (st, g, Ra), caractérisé en ce qu'il comprend successivement les étapes suivantes : - la détermination d'une valeur prédéfinie (ap, fip, RaQ) pour au moins un critère d'état de surface de la face de découpe de la pièce (étape El), - la détermination pour une première épaisseur (Epmin), d'une vitesse de découpe (VEpmin) permettant d'obtenir sensiblement la valeur prédéfinie dudit au moins un critère d'état de surface de la face de découpe, de manière à définir un premier couple épaisseur - vitesse de découpe (étape E2), - la détermination pour une deuxième épaisseur (EPmax) différente de la première, d'une vitesse de découpe (VEpmax) permettant d'obtenir sensiblement la valeur prédéfinie dudit au moins un critère d'état de surface de la face de découpe, de manière à définir un deuxième couple épaisseur - vitesse de découpe (étape E3), - l'extrapolation d'une courbe (étape E4) définissant une vitesse de découpe (V) en fonction d'une épaisseur découpée (Ep), ladite courbe étant extrapolée à partir des deux points correspondant respectivement au premier et au deuxième couple (épaisseur - vitesse de découpe), et - la découpe de la pièce (étape E5) en faisant varier la vitesse de découpe en fonction de l'épaisseur découpée, la vitesse de découpe étant ajustée à l'aide de la courbe extrapolée précédemment. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la 30 courbe définissant une vitesse de découpe en fonction de l'épaisseur découpée est donnée par la formule : V=A.EpB où V est la vitesse de découpe en mm/min, Ep est l'épaisseur de la pièce en mm, et, A et B sont des constantes. 35 3036642 12 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que, pour déterminer pour une épaisseur considérée (Epmin, Epmax) un couple épaisseur - vitesse de découpe, on effectue successivement les étapes suivantes : 5 - le choix d'une pluralité de vitesses (V1, V2, V3, V1', V2', V3') de découpe (étapes E21, E31), - la découpe (étapes E22, E32), pour chaque vitesse de découpe choisie, d'une pièce ayant l'épaisseur considérée, et - la sélection (étapes E23, E33) d'une vitesse de découpe 10 (VEpminf VEpmax) en fonction de la valeur du au moins un critère d'état de surface (a, e, Ra) de la face de découpe (2) obtenue pour chacune des vitesses de découpe choisies, par rapport à la valeur prédéfinie (ote, fie, Rae) dudit au moins un critère d'état de surface. 15 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le critère d'état de surface de la face de découpe est choisi parmi : un taux de rugosité arithmétique (Ra), un angle de striation (a), un angle de dépouille (e). 20 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la différence entre la première (Epniin) et la deuxième (Epmax) épaisseur est supérieure ou égale à 40 mm.