USINAGE A GRANDE VITESSE
François Geiskopf Yann Landon
Emmanuel Duc
LURPA, décembre 1999
1 L’usinage à grande vitesse est devenu depuis le début des années 90 un des procédés de fabrica- tion à la mode, qu’il faut absolument mettre en oeuvre et connaître pour pouvoir briller en société. Outre les aspects marketing qui ont permis de revitaliser le tissu économique de la fabrication mécanique, l’usinage a grande vitesse possède des caractéristiques très intéressantes dans le cadre de la réalisa- tion de pièce mécanique de qualité comme dans les domaines de l’aéronautique et du moule.
Mais vouloir intégrer l’usinage à grande vitesse dans un atelier de fabrication impose aussi de respecter un certain nombre de contraintes, sans lesquelles, l’opération devient dangereuse et écono- miquement peu rentable. Ainsi un des principaux avantages de l’usinage à grande vitesse est qu’il oblige l’utilisateur à remettre en cause son procédé de fabrication et donc à mieux le connaître.
L’objet de ce polycopié est de présenter le procédé d’usinage à grande vitesse, ainsi que son utilisa- tion dans le cadre de la production des pièces mécaniques. Afin de brosser un tableau assez complet et précis, nous avons décidé de le partager en trois parties.
Dans la première, nous avons cherché à définir et poser les bases de l’usinage à grande vitesse.
Pour cela, nous nous intéressons au procédé de fabrication en lui même, c’est à dire aux modes de formation du copeau et à leur influence sur les caractéristiques de l’usinage comme l’usure des outils, les efforts de coupe ou la qualité des surfaces usinées. Pour cela, nous avons voulu présenter à la fois les études conduites actuellement sur les aspects expérimentaux que sur les aspects modélisation du phénomène. Nous nous sommes ainsi beaucoup appuyé sur les travaux universitaire français (ENSAM de Paris, Ecole Centrale de Nantes, Université de Metz ...).
La seconde partie est volontairement plus pratique. Elle a pour but de présenter l’ensemble des évolutions technologiques qu’il faut dominer pour mettre en oeuvre un système d’usinage à grande vitesse. Nous avons ainsi cherché à identifier pour chaque élément de la cellule élémentaire d’usinage, les contraintes imposées par le passage à l’usinage à grande vitesse. Cela fait, nous présentons les niveaux de performances atteints en 1999, sachant que celles-ci sont continuellement réévaluées.
Enfin, dans la dernière partie, nous nous intéressons plus aux aspects préparation des pièces de la gamme, au calcul des trajectoires d’usinage. Nous voulons montrer que l’intégration de l’usinage à grande vitesse n’est pas uniquement un dossier à traiter à l’atelier. Il est nécessaire de conduire une étude globale du processus intégrant les aspects FAO, commande numérique et procédé de fabrica- tion, pour espérer réussir ce bon en avant dans de bonnes conditions de sécurité.
Ce polycopié a été rédigé par messieurs François Geiskopf et Yann Landon, élève de 4eme année à l’ENS, durant le déroulement de leur DEA au LURPA et Emmanuel Duc, enseignant à l’ENS de Cachan. Ce long travail de bibliographie nous a permis de mieux appréhender l’usinage à grande vitesse sous toutes ses facettes. Nous espérons que vous prendrez autant de plaisir à le lire que nous en avons pris à le rédiger.
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Modélisation de la coupe en Usinage à Grande Vitesse
1. Etude des phénomènes thermo-mécaniques (Système Copeau-Pièce) . . . 9
1.1. Intérêt du contrôle de la formation du copeau [1] . . . 9
1.2. Types de copeaux rencontrés . . . 9
1.3. Ecoulement du métal : les zones de cisaillement . . . 10
1.3.1. Conditions générales de la coupe . . . 10
1.3.2. Zones de cisaillement primaire et secondaire en coupe classique . . . 10
1.3.3. Discontinuitésau sein du copeau lors de sa formation en UGV . . . 11
1.3.4. Analyse thermique . . . 13
1.4. Usure des outils : résultats expérimentaux . . . 15
1.4.1. Les critères de durée de vie . . . 15
1.4.2. Usure des outils lors de l’usinage des métaux durs . . . 16
1.4.3. Usure des outils lors de l’usinage des alliages légers . . . 17
1.5. Efforts de coupe en UGV : résultats expérimentaux . . . 19
1.5.1. Analyse de Le Calvez : usinage d’un acier . . . 19
1.5.2. Analyse de Le Maître et Grolleau : usinage d’alliages de titane [10] . . . 19
1.5.3. Conclusion . . . 20
2. Modélisation de la coupe . . . 21
2.1. Modélisation classique de la coupe orthogonale . . . 21
2.2. Modèle de Merchant (1940-45) . . . 21
2.2.1. Hypothèses de la théorie . . . 21
2.2.2. Modèle physique de la coupe . . . 21
2.2.3. Détermination des efforts de coupe . . . 22
2.2.4. Loi de Caquot-Bridgman et expression de tsh . . . 22
2.2.5. Remarques de conclusion . . . 23
2.3. Théorie d’Albrecht . . . . 23
2.3.1. Refoulement du copeau . . . 23
2.3.2. Détermination des efforts . . . 24
2.3.3. Expérimentation . . . 24
2.3.4. Conclusions . . . 24
2.4. Modélisation analytique de la coupe en UGV . . . 24
2.5. Modèle de Gilormoni . . . 24
2.5.1. Analyse cinématique . . . 25
2.5.2. Analyse thermique . . . 25
2.5.3. Analyse du contact copeau-outil . . . 26
2.5.4. Synthèse et résultats . . . 26
2.6. Modèle de Molinari [11] . . . 27
2.6.1. Modélisation de la zone de cisaillement primaire . . . 27
2.6.2. Modélisation des effets thermiques à l’interface copeau outil . . . 28
2.6.3. Validation expérimentale sur un acier CRS 1018 . . . 29
2.7. Modélisation numérique de la coupe en UGV [12] . . . 30
2.7.1. Modélisation par éléments finis . . . 30
2.7.2. Simulation numérique . . . 31
2.8. Conclusions . . . 32
3. Etude de la surface usinée . . . . 33
3.1. Microstructure et contraintes résiduelles après usinage . . . 33
3.2. Etat de surface final . . . . 34
3.2.1. Les aciers . . . 34
3.2.2. Les fontes . . . 35
3.2.3. Les alliages d’aluminium . . . 35
4. Conclusion . . . 37
5. Références bibliographiques . . . 39
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Technologies des composants de la cellule élémentaire d’usinage
en UGV
6. Etude des contraintes imposées par l’UGV . . . 43
7. Les outils en UGV . . . 44
7.1. Exigences imposées par l’UGV . . . 44
7.2. Matériaux de coupe et revêtements . . . 44
7.2.1. Les carbures . . . 44
7.2.2. Les cermets . . . 45
7.2.3. Les céramiques . . . 46
7.2.4. Les Polycristallins de Nitrure de Bore Cubique . . . 46
7.2.5. Les Polycristallins de Diamant . . . 47
7.2.6. Résumé : exemples de couples outil/matière . . . 47
7.3. Géométries . . . 48
7.4. Préréglages et équilibrages . . . 49
7.5. Lubrification et arrosage . . . 49
7.6. Coût . . . 50
8. Les porte-outils et broches . . . 51
8.1. Exigences imposées par l’UGV . . . 51
8.2. Technologies utilisées . . . 51
8.2.1. les porte-outils . . . 51
8.2.2. les broches . . . 53
8.3. Coût . . . 55
9. Les machines . . . 56
9.1. Exigences imposées par l’UGV . . . 56
9.2. Structures . . . 56
9.3. Guidages et moteurs . . . 57
9.3.1. Les parties mobiles . . . 57
9.3.2. Les guidages . . . 57
9.3.3. Les moteurs . . . 58
9.4. Asservissements et DCN . . . 59
9.5. Opérateur – Formation – Protection . . . 62
9.6. Coût . . . 62
9.7. Evaluation et qualification des machines UGV . . . 63
10. Conclusion . . . 66
11. Références bibliographiques . . . 67
5
Utilisation de l’UGV
pour la fabrication des pièces mécaniques
12. Présentation . . . 71
13. Caractéristiques de l’UGV influençant le processus de fabrication . . . 73
13.1. Influences sur l’élaboration de la gamme de fabrication . . . 73
13.2. Influences sur les stratégies d’usinage . . . 73
13.2.1. Efforts de coupe et dynamique de la coupe . . . 74
13.2.2. Comportement thermique de la coupe . . . 74
13.2.3. Usure de l’outil . . . 74
13.2.4. Précision . . . 75
13.2.5. Sûreté de fonctionnement . . . 75
13.3. Utilisation inadaptée de l’UGV . . . 75
14. Evolution des ateliers de fabrication dans le cadre de l’introduction de l’UGV . . . 76
15. Gammes d’usinage appliquées à l’usinage des pièces prismatiques ou simples . . . 78
15.1. Bilan des principales difficultés . . . 78
15.2. Gains apportés par l’UGV . . . 79
15.3. Evolution des gammes de fabrication et traitement des différentes opérations . . . 79
15.3.1. Choix des outils et de leurs dimensions . . . 79
15.3.2. Entrées et sorties de la matière . . . 79
15.3.3. Evidement des poches . . . 80
15.4. Conclusion . . . 80
16. Gamme d’usinage appliquées à l’usinage des pièces de forme gauche . . . 81
16.1. Bilan des principales difficultés . . . 81
16.2. Gains apportés par l’UGV . . . 81
16.3. Evolution de la gamme de fabrication à la suite de l’introduction de l’UGV . . . 81
16.4. Stratégies d’usinage, choix des directions d’usinage . . . 84
16.5. Stratégies d’usinage, choix du pas de balayage . . . 86
16.6. Traitement des différentes opérations . . . 86
16.6.1. Ebauche . . . 86
16.6.2. Demi-finition . . . 86
16.6.3. Reprise . . . 87
16.6.4. Finition . . . . 87
17. Caractéristiques d'un logiciel de FAO adapté à l'UGV . . . 88
17.1. Position de la FAO dans le cycle de développement du produit . . . 88
17.2. Une étude des performances des systèmes de CFAO actuels . . . 88
17.3. Caractéristiques générales d'une CFAO adaptée . . . 89
17.4. Modèles géométriques utilisés et format de description des trajectoires . . . 89
17.5. Le calcul des trajectoires d'usinage . . . 90
17.5.1. Calcul de la position du centre de l’outil . . . 91
17.5.2. Gestion des interférences et recherche des discontinuités . . . 91
17.5.3. Construction d’une passe d’usinage . . . 91
17.5.4. Construction du trajet d’usinage . . . 92
17.6. La simulation des trajectoires d’usinage . . . 92
18. Conclusion . . . 93
19. Références bibliographiques . . . 94
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