Analyse du processus d’usinage classique de formes complexes

Afin de dégager les points clés de la préparation à l’usinage et les difficultés rencontrées, nous pro-posons d’analyser la préparation de l’usinage d’un outillage de forge dans sa phase de finition lors d’une approche classique (figure 19). Pour cela nous avons choisi comme ressource d’usinage une machine 3 axes associée à un outil à bout sphérique couplé à un posage unique de l’outillage dans la direction de frappe. Le choix de ce type de processus d’usinage est largement diffusé dans le domaine de l’usinage d’outillage [SUN 99] [SUN 01]. Nous proposons d’utiliser deux stratégies d’usinage large-ment diffusées dans les logiciels FAO. Ces deux stratégies reposent sur un mode de guidage planaire de

l’outil (toutes les trajectoires sont contenues dans des plans parallèles entre eux). La première stratégie, appelée plans parallèles, est basée sur le balayage de la pièce selon des courbes définies à partir de l’intersection de plans parallèles contenant l’axe de l’outil et la surface de la pièce [DIN 03] [PAR 00] [TAM 02] (figure 19.a). La seconde stratégie, appelée contournage par niveau de Z (Z level), est basée sur le balayage de la pièce selon des courbes définies comme l’intersection de plans parallèles perpendi-culaires à l’axe de l’outil et la surface de la pièce [PAR 03] [CHU 05] (figure 19.b).

Afin d’analyser les stratégies proposées, nous nous sommes inspirés des nombreux travaux d’étude de la zone de contact outil/pièce que nous détaillerons dans la suite de ce mémoire [BAP 00] [BOU 03]

Figure 18 : Offre logiciel FAO pour l’usinage

Figure 19 : Stratégies mono balayages étudiées sur l’outillage de bras de direction

a. Balayage par plans parallèles à (X,Z)

[KIM 00] [LAM 05]. L’analyse de la stratégie plans parallèles (figure 20) permet de mettre en évidence les variations topologiques des trajets au niveau du contact outil/pièce. Pour le trajet outil de la figure 20.a, nous constatons que la position de la surface de contact se situe toujours proche de la pointe de l’outil. Cette position va entraîner des problèmes d’évacuation de copeau, d’arrachement de matière et d’usure prématurée de l’outil. Néanmoins, la forme de la surface de contact outil/pièce reste quasi constante. Pour le trajet outil de la figure 20.b, nous constatons que la position et la forme de la surface de contact varie beaucoup le long du trajet. Ainsi, l’outil alterne des configurations d’usinage en son centre, en montant et en descendant. Ceci va avoir pour effet de cumuler plusieurs phénomènes :

- flexions d’outil de part une variation d’engagement de l’outil dans la matière

- création de couches non homogène d’un point de vue thermomécanique (dureté variable, épaisseur de couche blanche variable et carburation superficielle dans les couches supérieures de la surface usinées)

- apparition de micro fissures et initiation du faïençage thermique sur la matrice dues aux varia-tions de la vitesse effective de coupe

Pour le trajet outil issu de la stratégie par niveau de Z (figure 21), nous constatons que la forme et la position de la surface reste constante sur la majeure partie de la surface de la pièce. Néanmoins, il existe des zones où l’engagement de l’outil peut varier, notamment les zones où le rayon de courbure de la pièce est inférieur ou égal au rayon de l’outil [ALT 01].

Figure 20 : Analyse du contact outil/pièce pour la stratégie plans parallèles

a.

b.

Zone de contact outil/pièce Outil

Projection dans le plan (X,Y) de la zone de contact outil/pièce

Pour bien comprendre l’impact de la topologie de l’outillage sur le respect de la vitesse d’avance,

nous avons analysé une simulation des trajets générés au cours de notre étude. Cette simulation a été réalisée grâce à un outil que j’ai développé pour l’analyse du comportement cinématique du couple MO-CN [TAP 06]. L’outil d’analyse sera détaillé dans la suite de ce mémoire. En ce qui concerne le mode d’interpolation de trajectoire, j’ai choisi la plus utilisée, l’interpolation linéaire. La simulation du comportement cinématique figure 22, nous permet de distinguer des zones où une des stratégies est adaptée (peu de ralentissements, zones coloriées en vert), mais aussi des zones où cette même stratégie n’est pas adaptée (forts ralentissements, zones coloriées en orange et en rouge). D’autre part, ces ralen-tissements imposent des variations de contraintes thermiques au niveau de la zone de contact outil/ pièce. Ces variations peuvent provoqués une altération locale de l’état métallographique de l’outillage. Cette simulation montre la difficulté de choisir une stratégie unique adaptée à la topologie de la pièce permettant de limiter les écarts entre la vitesse d’avance théorique et la vitesse d’avance réelle.

Les séquences d’usinage ayant été générées pour une hauteur de crête donnée, nous avons analysé le pas transversal entre passes. Nous constatons que la nature topologique de la géométrie de l’outillage impose des resserrements de passes (figure 23). Ces resserrements ont pour conséquence de générer de la surqualité dans certaines zones de la pièce.

L’analyse des deux stratégies étudiées met en évidence le manque d’adéquation entre la géométrie de la pièce et le processus UGV. Une mauvaise adéquation entraîne une dégradation de la qualité de la pièce. Les causes de dégradation les plus significatives sont le non respect de la vitesse de coupe, le non

respect de la vitesse d’avance et les phénomènes liés au choix de direction et sens d’usinage (vibrations, flexion outil...).

D’autre part, l’utilisation de stratégies d’usinage mono direction pour l’outillage complet fait appa-raître une non adéquation du processus d’usinage avec la géométrie de la pièce. En effet, les trajectoires d’usinage obtenues ne permettent pas de limiter les écarts avec les vitesses de coupe et d’avance. Ceci s’explique principalement par les topologies très différentes des cavités de l’outillage. Il apparaît donc nécessaire de décomposer topologiquement la géométrie de l’outillage pour permettre une meilleure adéquation géométrie - processus UGV.

De nombreuses contraintes sont donc à intégrer dans la préparation de l’usinage afin d’assurer une décomposition de la géométrie de l’outillage minimisant autant que possible les effets néfastes engen-drés par le processus d’usinage classique. Les contraintes à intégrer sont principalement liées à la coupe :

- Non respect des conditions de coupe : vitesse de coupe et d’avance

Figure 22 : Simulation du comportement cinématique d’une MOCN

Figure 23 : Analyse de la qualité micro géométrique Ralentissements

Plans parallèles Niveau de Z

Resserrements de passe

- Non respect d’un mode de coupe en avalant - Appariations de vibrations, flexion et usure d’outil

Les effets néfastes engendrés par le processus d’usinage se situe au niveau de la précision (Macro géométrie : défaut de forme), de la qualité (Micro géométrique : état de surface) et de l’intégrité (état métallurgique) des surfaces de l’outillage.