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 Comment définir une opération d usinage Paramètres géométriques, cinématiques, dynamiques Comment calculer un temps d usinage? Caractérisation et contraintes liées aux outils de coupe Un peu d histoire et d anatomie des outils de coupe Quelques bases pour l aide au choix d un outil de coupe Modélisation des efforts en usinage Comment calculer les efforts nécessaires à une opération d usinage? Contraintes liées aux machines-outils Comment choisir au mieux une machine-outil ou dimensionner un usinage? Vers l optimisation Comment usiner au plus vite? Comment usiner au plus économique? 2

3 Pourquoi caractériser les efforts de coupe? On souhaite caractériser les efforts générés par l opération de coupe Résistance mécanique et déformation de l outil/du porte-outil (outils élancés principalement) Outils élancés, alésage, perçages profonds Résistance mécanique et déformation de la pièce Usinage de voiles minces, vibrations de la pièce pendant l usinage (brouttement, ) Capacités de la machine Couple à fournir au niveau de la broche, puissance fournie par la machine Sur une opération de chariotage Voir généralisation au cas du Perçage en TP 3

4 Efforts dans le cas du chariotage Hypothèse : X 0 Pas de moment au niveau de la pointe de l outil, le torseur des efforts est un glisseur F 3 composantes d efforts Coupe F c, avance F f et pénétration F p Rapport approximatifs Y 0 N F r F c Z 0 dans le cas du a p tournage F f o F p F f (1/2-2/3)F c F p 0.3F c 4

5 Calcul de la puissance nécessaire à un usinage Puissance de coupe/nécessaire à l usinage Comoment des torseurs d effort (glisseur) et de vitesse en O : P = F. V o/p = F c. V c + F f. V f F p. 0 V o/p X 0 V c Y 0 N F c Z 0 a p F f V f o F p 5

6 Calcul de la puissance nécessaire à un usinage Puissance de coupe/nécessaire à l usinage Comoment des torseurs d effort (glisseur) et de X 0 V c vitesse en O : P = F. V o/p = F c. V c + F f. V f F p. 0 Or V f V c P F c. V c Y 0 N F c Z 0 a p Seul l effort de coupe développe une puissance F f V f o F p significative Comment estimer F c? 6

7 Détermination de l effort spécifique de coupe On rapporte l effort de coupe F c à la surface sur laquelle X 0 il s applique Surface de copeau S Effort spécifique de coupe k c Supposé constant sur S F c = S. k c k c MPa = F c a p. f (N) mm. (mm) Y 0 N F c o k c a p Z 0 7

8 Effort spécifique de coupe De quels paramètres dépend k c? Au 1 er ordre : Couple Outil Matière (COM) Paramètres géométriques? Dynamiques? Epaisseur de copeau e et angle de coupe γ o 8

9 Effort spécifique de coupe γ o Augmentation linéaire de k c k c e 1 e 0 k c(e0,γ0) γ 0 >0 γ 0 >0 Augmentation non linéaire de k c γ 0 γ k c Variation des paramètres : e et γ o e 0 γ 1 <0 k c(e0,γ0) e e 0 e 9

10 Effort spécifique de coupe De quels paramètres dépend k c? Au 1 er ordre : Couple Outil Matière (COM) Au 2 nd ordre : Epaisseur de copeau e et angle de coupe γ o Augmentation des efforts avec la diminution de l angle de coupe (cf. usinage des matériaux durs/mous) Forte augmentation des efforts pour les faibles valeurs d épaisseur de copeau : refus de coupe Expression de l effort spécifique de coupe k c = k c e 0, γ 0. k e. k γ k c e 0, γ 0 valeur de référence (dépendance du matériau) pour une épaisseur de copeau e 0 et un angle de coupe γ 0 donnés k e = e 0.3 influence de l épaisseur de copeau e 0 k γ = γ γ 0 influence de l angle de coupe Valeurs proches de 1 10

11 Méthodologie de détermination des efforts Cas courant industriel Mesure systématique de l effort difficile, besoin de prédiction rapide Détermination de k c : - Valeur de référence fonction du matériau - Corrections en fonction de l épaisseur de copeau et de l angle de coupe réels Estimation de l effort et de la puissance de coupe Avec mesure d efforts Cf. TP Perçage Mesure des efforts en fonction de différents paramètres de coupe Détermination plus précise de l expression de k c pour utilisation ultérieure 11

12 Energie spécifique de coupe et ordres de grandeurs Energie spécifique de coupe Puissance nécessaire pour générer un certain débit de copeau ou énergie nécessaire pour enlever un volume de matière donné Donne une idée de la consommation énergétique du procédé (voir cours d UNC) E s = P c Q. (J) mm 3 On montre facilement que cette énergie, dans le cas de l UC, est directement proportionnelle à l effort spécifique de coupe et donc homogène à une pression Quelques ordres de grandeur Puissance d une machine outil standard : ~15kW Efforts spécifique k c0 d un acier standard : 2100MPa Procédés E sc (J/mm 3 ) Electro érosion Rectification Fraisage/Perçage 3-6 Tournage

13 Synthèse sur les grandeurs du modèle de coupe Quoi? Pourquoi? Données géométriques et cinématiques Définir le contexte, connaître les termes techniques liés à l usinage par outil coupant Calculer une vitesse de coupe, d avance Temps d usinage Plans/angles d outils Efforts, puissances de coupe, couple de d usinage, de perçage Prévoir le temps nécessaire à l usinage d une pièce (réaliser son industrialisation, mise en place de la ligne de fabrication, conception ) Evaluer l usure de l outil Avoir des bases sur la géométrie des outils, leurs orientation : guider le choix d un outil Connaître l influence des angles sur le procédé (épaisseur de copeau, évacuation, efforts ) Evaluer les sollicitations imposées à l outil, à la machine, au porte pièce Dimensionner les éléments d une machineoutil (moteurs, glissières, broche ) Choisir une machine pour industrialiser une pièce 13