Proposition de stratégies de surveillance d’usinage en perçage de superalliage base nickel, application à l’usure de l’outil

Proposal for monitoring strategies in drilling nickel-based superalloy, application to the tool wear

• Auteur / Autrice : Andrei Popa
• Direction : Gilles Dessein
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Mécanique, Mécanique des Matériaux
• Date : Soutenance le 18/06/2012
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Génie de Production (Tarbes ; 1989-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Franck Girot, René Leroy, Pierre Lagarrigue, Philippe Darnis, Maher Baili, Vincent Dutilh
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Franck Girot, René Leroy

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nickel -- Alliages

Qualité -- Contrôle

Usure (mécanique)

Moteurs -- Pièces

Avions -- Moteurs

Mots clés libres

Perçage

Superalliage base nickel

Usure

Surveillance

Grandeurs physiques

Détection

Perturbations d'usinage

Drilling

Nickel based superalloy

Wear

Monitoring

Physical quantities

Detection

Machining disturbances

Résumé

Les travaux présentés dans cette thèse sont réalisés dans le cadre du projet européen ACCENT et s’inscrivent dans la problématique de l’utilisation de la surveillance d’usinage dans la fabrication des pièces critiques de moteurs aéronautiques. L’objectif est de définir une technique de surveillance de l’usure de l’outil dans l’usinage de l’alésage central d’un disque haute pression réalisé en superalliage à base nickel. Trois grandes étapes peuvent être identifiées dans notre démarche : l’identification des modes de dégradation dans le perçage de l’Udimet® 720 LI, la définition de relations entre les différents types d’usure et les grandeurs physiques mesurées et finalement, la proposition de stratégies de surveillance basées sur les résultats précédents. Afin de répondre aux objectifs, un protocole expérimental a été défini. Les campagnes expérimentales nous ont permis de caractériser l’usure du foret et de définir une cartographie des modes de dégradation en fonction de conditions de coupe testées. Par ailleurs, l’impact des perturbations d’usinage (coupure de lubrification, modification du pourcentage d’émulsion du lubrifiant, défaut de position de l’outil par rapport à l’avant-trou, etc.) a été étudié. La deuxième partie consiste à identifier les relations entre les modes de dégradation et les signaux de surveillance enregistrés (efforts, couple, puissance, vibrations, etc.). Pour cela, nous avons privilégié deux pistes : une explication directe de l’évolution des signaux par des phénomènes physiques et une approche selon « la base de données », pour développer des modèles d’usures par des critères statistiques extraits sur les signaux. Cette analyse a aussi permis la détection de certaines perturbations d’usinage en utilisant les grandeurs physiques mesurées. Il s’agit notamment d’un défaut d’excentration de l’outil dans le porte-outil et d’un problème d’évacuation de copeaux. La troisième étape porte sur la sensibilité des signaux afin de détecter l’ensemble des phénomènes et la définition des stratégies de surveillance pouvant être mises en œuvre. Pour chaque relation définie, nous avons déterminé une probabilité de détection. Ensuite, nous avons utilisé les signaux en parallèle afin d’accroitre la robustesse de la détection. Les taux de probabilité ont été améliorés, en se basant sur l’hypothèse d’indépendance des signaux (sans calculer les biais existants). Enfin, l’association de l’approche phénoménologique à l’approche dite « statistique » a permis d’augmenter la robustesse de la surveillance.

The work presented in this thesis is a part of European project ACCENT and fits into the context of using process monitoring in the manufacture of critical parts for aircraft engines. The aim is to define a monitoring technique for the tool wear in the machining of the central bore of a high pressure disk made in nickel based superalloy. The major stages can be identified in our approach: identification of tool failure modes in drilling Udimet® 720 LI, defining the relationships between wear and measured physical quantities and finally, a proposal for monitoring strategies based on the previous results. In order to complete the objectives, an experimental protocol was defined. The experimental campaigns allowed us to characterize the drill wear and to define cartography of tool failure modes depending on cutting conditions tested. Moreover, the impact of machining disturbances (lubricant stop, change in percentage of lubricant emulsion, the position over the before hole, etc.) was studied. In the second part, the relations between the tool failure modes and monitoring signals recorded during the machining (forces, torque, power, vibrations, etc.) were identified. For this task, we focused on two directions: a straightforward explanation of signals evolution by physical phenomena and “black box” approach to develop wear models from a database obtained by statistical criteria extracts from the signals. This analysis also allowed the detection of certain machining disturbances using the physical quantities. These include an eccentricity of the tool in the tool holder and a chips evacuation problem. The third part concerns the signals sensitivity to detect the different phenomena and the definition of monitoring strategies which can be implemented. For each relation defined, a detection probability was determined. Further, we used signals in parallel to increase the robustness of detection. The probabilities were improved, with an assumption of independent signals (without calculating existing biases). Finally, the combination of the phenomenological approach to the so-called "statistical" has increased the robustness of the monitoring technique.