Acquisition des efforts et des températures en perçage

L’acquisition des températures est couplée à l’acquisition du couple et de l’effort de poussée. Pour l’effort de poussée et le couple, le dynamomètre rotatif Kistler 9125A (acquisition à 1000 Hz) est relié à une carte d’acquisition NI9162. Le logiciel Dasylab est utilisé pour interfacer les signaux reçus. Le relevé de l’effort et du couple est synchronisé avec le relevé des températures. Les thermocouples sont reliés à une carte d’acquisition NI9213 par le biais de rallonges. La synchronisation des efforts et des températures permet d’identifier le début du perçage grâce à la montée soudaine de l’effort de poussée et d’identifier sur les courbes de températures la phase de pénétration et de sortie du foret et le passage des becs de l’outil devant les thermocouples. La fréquence d’acquisition des températures est de 75 Hz, soit un relevé toutes les 13 millisecondes.

La mesure de températures est faite sur la pièce. L’intérêt porté à l’intégrité de la matière usinée et l’état de l’art réalisé sur les mesures de température en perçage ont conduit à cette option. Elle présente l’avantage de s’affranchir des difficultés liées à la mesure de la température sur le foret (rotation de l’outil, risque d’altération du thermocouple). La mesure de la température sur la pièce percée est directe et ne dépend pas de conditions de contact entre le foret et la matière qu’il faudrait déterminer. Pour réaliser des mesures sur la pièce plusieurs techniques existent. La thermographie infrarouge, le pyromètre relié à une fibre optique ou encore des thermocouples qui mesurent la température lors du passage de l’arête de coupe sont autant de techniques qui

Recherche du centre de la pièce

Fraisage de la face

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auraient permis la mesure de températures sur la matière usinée au plus près de l’outil. Elles présentent cependant des difficultés de mises en œuvre au niveau de l’instrumentation et au niveau de l’interprétation.

Le choix d’implanter des thermocouples dans la pièce hors de la zone de perçage a été fait. Cette méthode présente également des difficultés (positions exactes des mesures) qui seront présentées.

Des thermocouples chemisés seront utilisés et positionnés dans l’échantillon dans des trous réalisés en électroérosion par enfonçage. Deux types de thermocouples sont utilisés, des thermocouples de diamètre 0,75 mm positionnés au plus près de la surface percée (0,15 mm en théorie, thermocouple N° 5-6-7-8) et des thermocouples de diamètre 1,5 mm placés à 1 mm du bord du trou en théorie (N° 1-2-3-4). Les gaines des thermocouples utilisées sont dans un matériau proche du matériau étudié, elles sont respectivement en acier inoxydable 304 et 321.

La première incertitude des mesures provient de l’espace libre entre le trou fait en électroérosion par enfonçage et le thermocouple. Cet espace rempli d’air constitue une source significative d’erreurs puisque l’air a des propriétés thermiques très différentes de celles de la matière normalement présente (conductivité thermique de 0,025 W/m/K à 20 °C). Pour réduire l’erreur associée, une pâte d’argent ayant une conductivité de 10 W/m/K proche de celle du 316L (14 W/m/K) a été utilisée afin de combler l’espace entre le trou et le thermocouple.

Figure 24: Implantation des thermocouples dans l’échantillon

a b Pâte d’argent conductive 5 31 18 36 TC 1-5 TC 2-6 TC 3-7 TC 4-8 Ø60

a: distance entre la surface percée et le bout du thermocouple b: distance entre le bout du thermocouple et la soudure chaude a+b: distance entre la surface percée et la zone de mesure (soudure chaude)

1 2 5 6 ³ 4 7 8

TC 1-2-3-4: soudure chaude isolée

- 33 - La deuxième incertitude provient de la qualité du trou réalisé en électroérosion par enfonçage. Elle impacte directement la distance entre la surface percée et le thermocouple (noté « a » en Figure 24) et donc la pertinence de la mesure effectuée. Une mesure de la position exacte des thermocouples a été faite après les essais. Pour cela les échantillons ont été découpés, puis rectifiés jusqu’au plan passant par l’axe des trous des thermocouples (Figure 25). Ainsi les trous des thermocouples deviennent des demi-trous et ces derniers sont observables directement. La démarche a été répétée sur plusieurs échantillons. Le Tableau 3 récapitule les valeurs obtenues.

Tableau 3: Distance entre la surface percée et le bout du thermocouple pour 6 échantillons

La troisième incertitude vient du temps de réponse des thermocouples indiqués par le fournisseur. Les thermocouples ayant un diamètre de 0,75 mm positionnés au plus près de la surface percée disposent d’une soudure chaude à la masse afin de réduire le temps de réponse alors que les autres ont une soudure chaude isolée. Le fournisseur du thermocouple indique le temps de réponse du thermocouple. Le temps de réponse correspond au temps nécessaire pour que la température à la soudure chaude soit identique à celle au bout du thermocouple. Ce temps n’est pas critique pour les procédés lents (chauffage dans un four par exemple). Dans ce cas, considérer que la température est la même au bout du thermocouple et au niveau de la soudure chaude ne constitue pas une erreur importante. Le contexte de l’usinage est différent, le procédé met en œuvre des vitesses importantes avec une montée en température rapide, un maintien à la température

a Distance a (mm) ^{TC_1 TC_2 TC_3 TC_4 Moyenne Ecart-type} A_Sec_2 1,60 1,56 1,75 1,73 1,67 0,18 A_sec_3 1,47 1,52 2,05 1,65 Lub_ext_2 1,72 1,68 1,83 1,81 1,73 0,15 Lub_ext_3 1,72 1,92 1,78 1,41 Lub_int_2 2,21 1,94 1,61 1,42 1,88 0,30 Lub_int_3 2,04 2,04 1,61 2,18 Distance a (mm) ^{TC_5 TC_6 TC_7 TC_8 Moyenne Ecart-type} A_Sec_2 1,69 1,44 1,20 1,17 1,23 0,28 A_sec_3 0,83 1,37 1,23 0,88 Lub_ext_2 0,67 0,51 0,81 0,62 0,60 0,13 Lub_ext_3 0,50 0,48 / / Lub_int_2 0,75 0,94 1,70 1,20 1,00 0,38 Lub_int_3 0,52 0,63 1,25 0,98

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maximale très court et une décroissance rapide de la température après le passage de la source chaude. Le temps de réponse du thermocouple est donc important pour la pertinence de la mesure et pour valider le modèle numérique développé. Les temps de réponse indiqués par les fournisseurs sont donnés à titre indicatif et ne sont pas identifiés précisément pour chaque type de thermocouple. Une étude de la distance exacte entre le bout du thermocouple et la zone de mesure de la température à l’intérieur de celui-ci est effectuée (noté « b » en Figure 24). Pour le thermocouple ayant un diamètre de 1,5 mm et une soudure chaude isolée, les distances entre le bout du thermocouple et la zone de mesure sont de 1,75 mm et 1,78 mm (pour deux thermocouples pris au hasard). Pour le thermocouple ayant un diamètre de 0,75 mm et une soudure chaude à la masse, la distance est réduite. Elles sont de 0,52 et de 0,59 mm pour deux thermocouples pris au hasard. Pour les gros thermocouples, la mesure est moyennée sur la sphère entière et le point de mesure est considéré comme étant au centre de la sphère. Pour les thermocouples de petits diamètres, des observations effectuées à chaque étape de polissage permettent de conclure que le deuxième fil rejoint le premier à la sortie de la gaine. La soudure chaude est donc localisée en sortie de gaine.

La Figure 25 présente une illustration des distances réelles entre la surface percée et la zone de mesure de la température pour les deux types de thermocouple utilisés et pour le cas en lubrification externe. La distance réelle totale est la combinaison de la distance entre la surface percée et le fond du trou réalisé en électroérosion par enfonçage (distance a) et la distance entre le bout du thermocouple et la zone de mesure à l’intérieur du thermocouple (distance b) qui dépend du diamètre du thermocouple et du type de soudure chaude utilisés. Dans le cas présenté, les distances totales réelles (a+b) sont de 1,15 mm en moyenne avec un écart-type de 0,18 mm pour le thermocouple de diamètre 0,75 mm (au lieu de 0,15 mm théorique) et de 3,50 mm en moyenne avec un écart-type de 0,17 mm au lieu de 1 mm théorique pour le thermocouple de diamètre 1,5 mm. Les différences entre les distances réelles et théoriques montrent tout l’intérêt de l’analyse détaillée qui a été faite. Elle permettra de disposer de valeurs cohérentes pour valider le modèle numérique de perçage.

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Figure 25: Distance entre la surface percée et la zone de mesure de température pour les deux types de thermocouple (diamètre 1,5 mm et 0,75 mm) en lubrification externe

Finalement, malgré les précautions prises lors des essais, certaines mesures de températures aberrantes vis-à-vis de celles obtenues au même endroit dans les mêmes conditions ne sont pas considérées dans l’analyse. Elles peuvent être induites par un défaut dans le maintien du thermocouple en fond de trou lors du perçage. Ces problèmes sont rares mais justifient l’implantation de deux thermocouples au lieu d’un dans la zone de très grand intérêt qui se situe au milieu de l’échantillon et la répétition du même essai trois fois.