Usinage par outil coupant GM*-3-PRODU1 Thibaut Chaise Équipe Procédés de Fabrication - GMC

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1 Usinage par outil coupant GM*-3-PRODU1 Thibaut Chaise Équipe Procédés de Fabrication - GMC

2 Plan du cours Modélisation des opérations d usinage par outil coupant Caractérisation et contraintes liées aux outils de coupe Modélisation des efforts en usinage Contraintes liées aux machines-outils Vers l optimisation Qualification de la qualité des pièces usinées Qualification de la qualité des bruts Compléments en TD, TP et bureau des méthodes (Sem. 2) 2

3 Quelles autres contraintes? Jeu de paramètres d entrée identiques pour toutes les opérations d usinage par outil coupant : (V c, f, a p, a e ) Pièce brute Outil Lubrifiant Machine Pièce finie Copeaux Lubrifiant pollué Outil usé 3

4 Vous avez dit état de surface? Comment définir l état de surface, c est-à-dire le critère de qualité de l usinage? Pour l essentiel, se référer aux travaux pratiques et au cours de métrologie Mesure (tactile, optique ) de l écart entre la surface réelle usinée et la surface géométrique idéale Les défauts du profil de surface peuvent être classés en 4 ordres de grandeur Premier ordre : grandes périodicité de défauts Écarts de forme Ce sont des défauts de précision sur la cote finale usinée, du domaine de la métrologie Mesurables au pied à coulisse Sources possibles : déformation de la pièce pendant l usinage 4

5 Vous avez dit état de surface? Comment définir l état de surface, c est-à-dire le critère de qualité de l usinage? Pour l essentiel, se référer aux travaux pratiques et au cours de métrologie Mesure (tactile, optique ) de l écart entre la surface réelle usinée et la surface géométrique idéale Les défauts du profil de surface peuvent être classés en 4 ordres de grandeur Deuxième ordre : périodicité de défauts moyenne Ondulation Du domaine de la métrologie aussi Sources possibles : vibrations machine 5

6 Vous avez dit état de surface? Comment définir l état de surface, c est-à-dire le critère de qualité de l usinage? Pour l essentiel, se référer aux travaux pratiques et au cours de métrologie Mesure (tactile, optique ) de l écart entre la surface réelle usinée et la surface géométrique idéale Les défauts du profil de surface peuvent être classés en 4 ordres de grandeur Troisième ordre : longueur d onde de l ordre de l avance Sillons Domaine de la rugosité (moyens de mesure spécifiques) Effet géométrique (tracé de la forme de l outil à la surface de la pièce), analytiquement prédictible #alumatter Sillons de hauteur h f2 R ε 6

7 Vous avez dit état de surface? Comment définir l état de surface, c est-à-dire le critère de qualité de l usinage? Pour l essentiel, se référer aux travaux pratiques et au cours de métrologie Mesure (tactile, optique ) de l écart entre la surface réelle usinée et la surface géométrique idéale Les défauts du profil de surface peuvent être classés en 4 ordres de grandeur Quatrième ordre : très haute fréquence Arrachements Aussi considérées Sources possibles : arrête rapportée, propriétés locales de la matière, usure de l outil 7

8 Influence des paramètres de coupe Rugosité Rugosité f 3 ème ordre Influence géométrique 4 ème ordre Aspects physiques : refus de coupe R i f2 R ε Influence moindre 4 ème ordre Aspects physiques : qualité de la coupe V c 8

9 Principaux paramètres de rugosité Rugosité Tournage Mesure de la rugosité Filtrage mécanique et numérique des défauts d ordre 1 et 2 Les paramètres de rugosité se mesurent sur un profil dont les défauts de forme ont été soustraits Définition d une hauteur moyenne de profil et mesures effectués sur une longueur de base normalisée Rugosité totale de la surface R t = hauteur min-max du profil R z = moyenne des min-max sur 5 portions de la longueur de base Source : Techniques de l ingénieur Rugosité moyenne R a = moyenne arithmétique des hauteurs du profil Source : Mitsubichi Nombreux paramètres de rugosité : ordres supérieurs, paramètres surfaciques 9

10 Ordres de grandeur des qualités de surface atteignables en usinage Précision (µm) Fraisage Tournage Rectification Superfinition Source : Mahr.fr NB : ordres de grandeur! Polissage optique Etats de surface Ra (µm) Source : Mecasem 10

11 Quelles autres contraintes? Jeu de paramètres d entrée identiques pour toutes les opérations d usinage par outil coupant : (V c, f, a p, a e ) Pièce brute Outil Lubrifiant Machine Pièce finie Copeaux Lubrifiant pollué Outil usé 11

12 Données d entrée pour l usinage : la pièce brute Comment sont obtenus les bruts et pièces que l on usine? Quelles conséquences du point de vue de l usinage? Voir principalement cours de Bureau des Méthodes GM*-3-PRODU2 La mise en forme primaire pour les nuls, en dix minutes et de manière non exhaustive Voir aussi et surtout Cours de Science des matériaux, GMC-3-SCIMA1 Documentation des techniques de l ingénieur «Procédés de mise en forme introduction» (moodle) Moodle 12

13 Plusieurs possibilités d obtention des bruts d usinage pour la filière des aciers essentiellement Sidérurgie Brames, blooms, billettes Source : wikipedia.fr Barre section parallélépipédique tôles et plaques Source : wikipedia.fr Barre acier section carrée poutrelles, rails, profilés Tous issus de lingôts Source : wikipedia.fr Barre section carrée/ronde/ Fils métalliques, barres, profilés 13

14 Plusieurs possibilités d obtention des bruts d usinage pour la filière des aciers essentiellement Sidérurgie Laminage Fabrication de tôles/plaques par réductions successives de section Direction privilégiée de propriétés mécaniques, état de surface, contraintes résiduelles Source : Techniques de l ingénieur 14

15 Plusieurs possibilités d obtention des bruts d usinage pour la filière des aciers essentiellement Sidérurgie Laminage Profilage Tréfilage Fabrication de profilés, fils de section variables Traction d un fil métallique à travers un filière (tréfilage) ou compression de la matière à travers le profil (profilage) Procédés souvent appliqués à chaud ( ductilité) Direction privilégiée de propriétés mécaniques, état de surface, contraintes résiduelles Source : 15

16 Plusieurs possibilités d obtention des bruts d usinage pour la filière des aciers essentiellement Mécanosoudage Assemblage de plusieurs matériaux par fusion locale de la matière - Avec ou sans apport de matière Déformations et contraintes résiduelles, zone fondue, ZAT (Zone Affectée Thermiquement), modification locale des propriétés mécaniques Grande variété de procédés : - Soudage à l arc (MIG, MAG, TIG, GTAW ) - Soudage laser - Soudage plasma - Soudage friction - Soudage par faisceau d électrons - 16

17 Qui dit déformation plastique dit déformations résiduelles Les pièces issues des procédés primaires et donc les bruts d usinage, ne sont pas (loin de là!) exempts de défauts. Par ex. dans le cas de pièces soudées, présence de distorsions résiduelles : Simulation d une soudure en T Tracé des valeurs de température Présence de distorsions après passage de la torche de soudage Source : ec2-modélisation 17

18 Et contraintes résiduelles! Contraintes restantes dans le matériau même lorsque celui-ci n est pas chargé Issues des déformations plastiques Difficiles à mesurer : méthodes destructives et toujours indirectes (on ne sait mesurer qu une déformation!) Mesures par diffraction des rayons X (DRX), de neutrons, méthode «du trou» Mais critique dans le dimensionnement et la prise en compte de l état initial de la matière! 18

19 Plusieurs possibilités d obtention des bruts d usinage pour la filière des aciers essentiellement Forgeage Mise en forme par déformation mécanique massive sur tout ou partie d une pièce Généralement effectué à chaud Précision dimensionnelle correcte mais moindre que celle de l usinage Renforcement des caractéristiques Mécaniques (écrouissage et traitement thermique) Variété de procédés : - Forgeage libre, à chaud, froid - Emboutissage, matriçage, estampage 19

20 Plusieurs possibilités d obtention des bruts d usinage pour la filière des aciers essentiellement Mise en forme d une pièce métallique depuis l état liquide à l aide d un moule Plusieurs procédés, type de moules (réutilisables ou non) Sidérurgie Défauts issus de la solidification : - État de surface Brames, (aspect +/- blooms, grumeleux billettes selon le type de moule) - Porosités, disparité de propriétés mécaniques - Retassures (retrait au cours de la solidification) V Laminage liquide >V solide - Profilage Tréfilage Matériaux différents de ceux obtenus par forgeage (propriétés mécaniques, état initial) Tôles, rondins, profils Fonderie, moulage Mécanosoudage Forgeage 20

21 Plusieurs possibilités d obtention des bruts d usinage pour la filière des aciers essentiellement Sidérurgie Brames, blooms, billettes Fonderie, moulage Laminage Profilage Tréfilage Tôles, rondins, profils Mécanosoudage Forgeage Bruts d usinage 21

22 Etats de surface issus des procédés primaires Source : Memotech Rugosité totale R t (µm) Fonderie Forgeage Laminage Trefilage Emboutissage Fraisage Tournage Rectification au sable en coquille fine forge libre estampage forge de précision à chaud à froid normal de précision compression matriçage Etanchéité statique Etanchéité dynamique Assemblage fixe Portée de roulement Chemins de roulements...galets Procédé/Application 22