Essais instrumentés de fluotournage : Compréhension du procédé de mise en forme

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1 Essais instrumentés de fluotournage : Compréhension du procédé de mise en forme Collaboration ROXEL/CEMEF ANR «Fluoti» Intervenants Cemef : Simon Becker, Erick Brotons, Christelle Combeaud, Dorian Depriester, Francis Fournier, Elisabeth Massoni, Arnaud Pignolet, Gabriel Pouliquen Intervenants Roxel : Laurent Bonhomme, Vincent Dornon, Alain Gorlier Lyon, le 19 Juin

2 1. Le procédé : Principe - Fluotournage direct - Fluotournage inverse 2

3 1. Le procédé : Principe - Fluotournage inverse Avantages : - Pièces aérospatiales et aéronautiques métalliques axisymétriques - Pièces de grandes dimensions, de faibles épaisseurs - Sans soudage, pas de perte de matière - Aciers, alliages 3

4 2. La problématique - Comprendre l écoulement matière sous la molette - Influence des différents paramètres procédé : Mode de chargement du matériau : nombre de molettes, géométrie de la molette avec angle d attaque, rayon courbure et profondeur de passe associée Avance Angle d attaque X Angle de dépouille Rayon de courbure 4

5 2. La problématique - Comprendre l écoulement matière sous la molette - Influence des différents paramètres procédé : Vitesse de déformation du matériau : - couplage entre vitesse rotation mandrin et vitesse d avance molette Avance X Rotation 5

6 2. La problématique - Comprendre l écoulement matière sous la molette - Influence des différents paramètres procédé : Température du matériau : auto-échauffement? Contact outils / matière : frottement ou glissement? Dans l industrie : - lubrification externe importante - mandrins refroidis de l intérieur - graisse permet glissement mandrin / tube 6

7 3. Dimensionnement de la mini-machine Le premier calcul avec Abaqus Diamètre mandrin 33,5 mm V rotation = 200 tr/min V avance = 1 mm/tr 7

8 3. Dimensionnement de la mini-machine Le premier calcul avec Abaqus Rhéologie Ta6V à froid 0.31 Epaisseur initiale = 5 mm Profondeur de passe de 1,9 mm Taux de réduction = 38 % 8

9 3. Dimensionnement de la mini-machine Le premier calcul avec Abaqus Effort radial 100 kn Effort axial 20 kn Couple 250 N.m Effort tangentiel ~ 5 kn Etablissement des efforts et couple en régime stationnaire 9

10 4. Choix technologiques Moteurs et capteurs Molette Moteur broche Couplemètre Moteur avance Couplemètre rotatif Couple jusqu à 500 N.m Codeur 60 impulsions/tour : vitesse broche mesurable 10

11 4. Choix technologiques Moteurs et capteurs Capteur efforts Molette Z Y Moteur broche Couplemètre Moteur avance Deux cellules d effort piezoélectriques tri-axes X, Y et Z Z : 200 kn ; X et Y : 60 kn Etanche ; tenue en température entre -40 et 120 C 11 Connaître la position spatiale du point d application des efforts

12 Force mesurée (kn) 4. Choix technologiques Etalonnage plateau dynamométrique sous presse suivant Z Z Fz = F1z + F2z Fz = b 2a (F1z - F2z) Y b = 150 mm a ~ 2 mm Position molette (?) X Z1 Z2 Somme Z1 + Z2 Théorie Force imposée (kn) 12

13 Z 1 2 Y b = 150 mm a ~ 2 mm X 4. Choix technologiques Etalonnage capteurs tri-axes sous presse suivant X Fx = F1x + F2x Position molette (?) 13

14 5. Conception mécanique ; instrumentation Quelques photos Bilan : - 2 années et demi de développement pièces usinées en interne 14

15 5. Conception mécanique ; instrumentation Vue d ensemble de la machine 15 15

16 5. Conception mécanique ; instrumentation Mesure et contrôle du procédé - Mesure des efforts tri-dimensionnels exercés sur la molette Molette - Mesure de la position radiale de la molette - Mesure de la vitesse de rotation de la molette Broche - Mesure du couple broche Contrôle Procédé -Mesure de la vitesse de rotation de la broche - Mesure de la position d avance 16

17 6. Premiers essais Préforme tubulaire titane T40 Course : 25 mm Vitesse d avance : 0,33 mm/tr Vitesse de rotation : 100 tr/min Profondeur de passe : 0,71 mm ; épaisseur initiale 5 mm Z X Régime transitoire Régime stationnaire Relaxation C = 40 N.m 17

18 6. Premiers essais Préforme tubulaire titane T40 Course : 25 mm Profondeur de passe : 0,71 mm ; épaisseur initiale 5 mm 0, 66 mm/tr ; 100 tr/min 0, 33 mm/tr ; 200 tr/min 0, 33 mm/tr ; 100 tr/min 18

19 6. Premiers essais Préforme tubulaire titane T40 Course : 25 mm ; Vitesse d avance : 0,56 mm/tr Vitesse de rotation : 200 tr/min Profondeur de passe : 1,8 mm Epaisseur initiale 2,5 mm Fissure intérieure traversante 19

20 6. Premiers essais Préforme tubulaire cuivre Course : 100 mm ; Vitesse d avance : 0,33 mm/tr Vitesse de rotation : 200 tr/min Profondeur de passe : 1,8 mm Epaisseur initiale 5 mm 20 Formation d une instabilité type «bourrelet»

21 7. Perspectives Etudier le frottement tube / molette : pas de glissement observé Peu d effets de la lubrification sur les mesures d efforts : pas d auto-échauffement à ces échelles de travail Faire varier géométrie molette : angle d attaque, rayon courbure Suivre l écoulement matière via suivi caméra rapide synchrone avec les mesures d efforts et couple 21

22 4. Choix technologiques Moteurs et capteurs Molette Moteur broche Moteur avance Moteur broche asynchrone couplé à un variateur de vitesse avec Vrotation [0 ; 400] tr/min et couple sortie de 342 N.m Moteur d avance synchrone couplé à un variateur de vitesse F axiale maximale de 50 kn Vitesse d avance entre [0,5 ; 1,5] mm/tr 22

23 6. Premiers essais Préforme tubulaire cuivre Avant Usinage Usinage Après Usinage 23

24 6. Premiers essais Préforme tubulaire cuivre Course : 100 mm Vitesse d avance molette : 0,33 mm/tour Vitesse de rotation broche : 200 tour/min Fort tulipage Etat de surface «pailleté» Nécessité de passer sur le titane pour des essais plus «propres» 24

25 3. Dimensionnement de la mini-machine Répartition des efforts de fluotournage Force radiale Force tangentielle Force axiale Techniques de l ingénieur 25

26 3. Dimensionnement de la mini-machine La feuille blanche Interaction Molette / Pièce Une seule molette de travail instrumentée - un seul écoulement matière - minimise efforts et couples mis en jeu 26

27 6. Premiers essais Préforme tubulaire cuivre Difficulté de stabiliser les mesures d effort et couple ; instabilités 27 de l écoulement

28 3. Dimensionnement de la mini-machine Le premier calcul avec Abaqus Rhéologie Ta6V à froid 0.31 Epaisseur initiale = 5 mm Profondeur de passe de 1,9 mm Taux de réduction = 38 % Ln (S/S0) = -53 % 28

29 1. Cahier des charges F. Echantillon Quelques échantillons Avant Usinage Usinage Après Usinage 29

30 4. Conception mécanique ; choix technologiques Etalonnage plateau dynamométrique sous presse Point d application de l effort représentatif du procédé Situé entre les deux capteurs pour limiter les moments 30 Une seule rondelle n aurait pas pu encaisser les moments

31 1 Z 2 X 4. Conception mécanique ; choix technologiques Etalonnage capteurs tri-axes sous presse suivant X - Résultantes en Z symétrique, de signe opposé 31

32 1. Cahier des charges Réduction dimensionnelle à l échelle de laboratoire Pièces / outils Diamètre mandrin (mm) 33.5 Diamètre extérieur tube (mm) 43.5 Epaisseur tube (mm) 5 Longueur tube (mm) 150 Longueur utile mandrin (mm) 400 Angle cône tube ( ) 15 Epaisseur du cône (mm) 0.6 ou 1.2 Diamètre molette (mm) 117 Angle attaque molette ( ) 15 ou 20 Angle dépouille molette ( ) 3 Rayon courbure molette (mm) 2, 3 ou 4 32

33 1. Cahier des charges Conditions et paramètres procédé fluotournage inverse : - Utilisation d une molette de travail (+ 2 galets soutien) - Réglage position molette : profondeur de passe (précision 0.1 mm) - Réglage vitesse rotation broche de 0 à 400 tr/min - Réglage vitesse avance de 0 à 2 mm/tr - Entrainement pièce : griffes d entrainement - Lubrification à prévoir : refroidissement pièce - Extraction pièce fluotournée : extracteur - Protection de l utilisateur : capot de sécurité 33

34 1. Cahier des charges Mesure et contrôle du procédé : - Mesure des efforts radiaux et axiaux exercés sur la molette Molette - Mesure de la position radiale de la molette - Mesure de la vitesse de rotation de la molette Broche - Mesure du couple broche Contrôle machine -Mesure de la vitesse de rotation de la broche - Mesure de la position d avance Observation In-situ - Mesure par thermographie infra-rouge - Mesure de l écoulement matière via caméra rapide 34

35 1. Cahier des charges ENCORE DES IMAGES Quelques photos 35