Un prototype développé pour surveiller la température des outils de coupe des métaux
Un des défis posés par les outils de coupe des métaux utilisés dans la fabrication est la chaleur qu’ils émettent. Ces températures élevées circulent dans le corps de l’outil et peuvent entraîner une baisse de la performance de coupe, réduisant la qualité des surfaces usinées. Il est donc essentiel de pouvoir suivre précisément la température de l’outil durant l’usinage. Bien que la température des outils puisse être estimée à partir de la couleur des remplissages et des copeaux, le suivi précis de la distribution de température s’avère problématique. La mesure directe avec des capteurs est quasiment impossible en raison de l’environnement complexe, alors que les pressions sont élevées et que les fluides de coupe risquent d’endommager le capteur. La solution développée par le projet MoMenT, soutenu par l’UE, consistait à créer un outil de coupe et de suivi combinés, qui intégrait des capteurs minutieusement espacés. «Nos prototypes et algorithmes nous ont permis de mesurer avec précision la température dans la zone de coupe basée sur les lectures du capteur», explique Rachid M’Saoubi, expert en R&D chez Seco Tools, l’hôte du projet, et superviseur du boursier Marie Skłodowska-Curie, Vyacheslav Kryzhanivskyy.
Des modules pour surveiller la distribution de chaleur
Lorsque les températures et les propriétés thermophysiques des outils sont connues, il est possible de déterminer les flux de chaleur. Pour contourner le problème d’absence de lectures dans la zone de coupe, les capteurs de MoMenT ont mesuré les températures à plusieurs points situés en dessous de l’insert de coupe. Les algorithmes ont ensuite extrapolé la température de tout point dans l’outil à partir de ces lectures. Un module «Résistance thermique» a recouru à un analyseur flash laser (LFA) pour collecter des informations sur la résistance thermique des assemblages d’outils, ainsi qu’à un algorithme de modélisation qui calcule la température de coupe. Il est complété par un module «Distribution de la température» contenant les prototypes d’outils de coupe MoMenT équipés de capteurs thermocouple et thermistance. Ce module a également employé des algorithmes de modélisation pour calculer la distribution ou le flux de chaleur. Enfin, les modules «Examen des revêtements» et «Examen du refroidissement» ont quantifié l’effet des revêtements sur les flux de chaleur s’écoulant vers l’outil et ont mesuré le coefficient d’échange de chaleur, selon la stratégie de refroidissement adoptée. «Les tests ont démontré que notre système était capable de réduire la panoplie de stratégies d’usinage efficaces, permettant à l’industrie de quantifier les effets thermiques de différentes stratégies de revêtements d’outils, de matériaux et de refroidissement», ajoute Vyacheslav Kryzhanivskyy.
Vers l’industrie 4.0
Une technologie efficace de coupe par machine offre une meilleure productivité aux fabricants, ainsi qu’une meilleure qualité de produit pour les consommateurs. Les outils dotés de capteurs thermiques revêtiront un intérêt particulier pour l’automatisation des pratiques industrielles et manufacturières traditionnelles recourant à la technologie intelligente moderne ou Industrie 4.0. «La perspective d’un outil largement disponible doté de capteurs thermiques capables de surveiller en ligne la température dans la zone de coupe reste lointaine. Pour le moment, nous améliorons et continuons à tester notre prototype», note Vyacheslav Kryzhanivskyy. L’équipe a déjà intégré la transmission de signal sans fil dans ses capteurs de température. La prochaine étape consiste à intégrer plus avant le système afin que les décisions relatives aux conditions de coupe (vitesse, flux, profondeur) puissent reposer sur la distribution de température au sein du corps de l’outil en temps réel. Ces travaux en cours sont entrepris conjointement au projet ToolSense (avec VINNOVA et le financement des groupements Eureka). Ils ont pour but de développer, d’améliorer et de commercialiser des capteurs pour la mesure et le suivi en ligne des forces, des vibrations et des températures dans les processus d’usinage.
Mots‑clés
MoMenT, coupe des métaux, distribution de chaleur, usinage, fabrication, températures, algorithmes, revêtement, refroidissement, industrie 4.0, résistance thermique, capteurs
