CONCOURS 3 ANNÉE GÉNIE MÉCANIQUE ÉCOLE NORMALE SUPÉRIEURE DE CACHAN ÉTUDE D'UNE OPÉRATION D'USINAGE SUR CENTRE DE FRAISAGE 4 AXES

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1 CONCOURS 3 ANNÉE GÉNIE MÉCANIQUE ÉCOLE NORMALE SUPÉRIEURE DE CACHAN Session 1998 SCIENCES DE LA PRODUCTION ÉTUDE D'UNE OPÉRATION D'USINAGE SUR CENTRE DE FRAISAGE 4 AXES Ce dossier comporte 3 parties : - partie 1 : Mise en position de la pièce. - partie 2 : Étude d'une opération d'alésage. - partie 3 : Conception d'une tête à aléser. Il est composé : - d'un texte de 6 pages, - de 5 documents (4 documents constructeurs et 1 document graphique), - de 2 documents réponses dont un calque préimprimé format A3. Le candidat devra impérativement rendre avec sa copie les 2 documents réponses. temps conseillé : - lecture du sujet : 1/4 d'heure, - partie 1 : 1 heure 1/4, - partie 2 : 1 heure 1/4, - partie 3: 1 heure 1/4. Pour l'ensemble des questions, le candidat s'attachera à définir clairement sa méthodologie d'analyse.

2 L'entreprise GEAR S.A. fabrique des moto-réducteurs à vis (voir photo et dessin en deuxième de couverture). Elle dispose, depuis peu, d'un centre d'usinage 4 axes à broche horizontale de type XYZB ( voir schéma en troisième de couverture). Cette machine est dotée : - de 2 palettes interchangeables, - d'un palpeur de pièce, monté en lieu et place d'un outil, qui permet de transmettre à la commande numérique les coordonnées en x, y et z d'un point palpé ; - d'une broche 8000tr/min. L'étude proposée ici se limite à l'usinage du carter du moto-réducteur (réalisation des surfaces numérotée 1 et 2 sur le document 1) et à la modification d'une tête à aléser. PARTIE I : Mise en position de la pièce. Le responsable de la production propose pour l'usinage des surfaces 1 et 2 la méthodologie suivante : - La pièce est posée sur sa base (usiné dans une phase précédente) et fixée par 4 boulons directement sur la palette, l' orientation de la normale au plan 2 et l'axe de l'alésage 1 (supposés confondus) sont ainsi placés à quelques degrés prés suivant l'axe Z de la machine. - Une mesure en trois points, de la surface 2 avant usinage est effectuée à l'aide du palpeur. - Une rotation de la palette d'un angle à calculer en fonction des coordonnées des points palpés est effectuée. Cette opération a pour objectif d'enlever une épaisseur de copeaux relativement constante sur l'ensemble de la surface 2. - La pièce est surfacée puis l'alésage est réalisé. Le stylet du palpeur de mesure est à bout sphérique de Ø = 5mm (appelé bille). Par analogie avec une Machine à Mesurer Tridimensionnelle, une phase d'étalonnage du palpeur doit être effectuée avant toute manipulation (on considérera qu'il existe un petit écart δ entre le centre de la bille et l'axe de rotation de la broche). Le responsable de la production souhaite utiliser le palpeur non seulement pour mesurer directement des pièces in situ mais 1

3 aussi pour placer la pièce dans l'environnement machine en vue de son usinage (ce qui revient à situer l'origine programme par rapport à l'origine machine). Rappels : Lorsque la bille touche une surface, elle envoie un signal à la commande numérique qui permet de gérer une interruption des déplacements par l'intermédiaire de la fonction G10. Le point courant est stocké dans les paramètres suivants : E90000 : point courant par rapport à l'origine machine suivant X E90001 : point courant par rapport à l'origine machine suivant Y E90002 : point courant par rapport à l'origine machine suivant Z E90003 : point courant par rapport à l'origine machine suivant B La vitesse de déplacement du palpeur préconisée par le constructeur lors d'une prise de point est de 500mm/min. Questions : - Quelle est l'utilité de la phase d'étalonnage? - Proposer une forme d'étalon qui permette l'utilisation du palpeur tel que définie par le responsable de la production. - Proposer un programme CN pour réaliser cette phase d'étalonnage de façon automatique (une description, sous la forme de votre choix, des différentes taches à effectuer pourra être acceptée). - Discuter de l'influence de la vitesse de mesure sur les points mesurés. - Un réglage permet de positionner le centre de la bille sur l'axe de rotation de la broche, discuter de l'intérêt d'un tel système. S'il y a lieu, proposer une nouvelle méthode d'initialisation du palpeur. Par rapport à l'origine mesure de la machine, les coordonnées des 3 points palpés sont les suivantes (en mm) : A( 0 ; 150 ; 13 ) B( 150 ; 150 ; -5,45 ) C( 75 ; 0 ; 4,825 ) Questions : - Calculer la valeur de l'angle de correction à prendre en compte sur l'axe B avant usinage.

4 - Après correction, en supposant une surface usinée circulaire de 200mm de diamètre, calculer la variation d'épaisseur de copeaux pour cette opération. - Proposer une méthode de calcul plus précise avec une surface définie par plus de trois points (vous citerez les différentes étapes de calcul). PARTIE II : Étude de l'opération d'alésage Cet usinage est réalisé en deux opérations : - Ébauche par perçage au diamètre 24,5 mm. La pièce brute de fonderie ne comporte pas d'avant trou pour ce perçage. - Finition à l'aide d'une tête à aléser munie d'un outil à plaquette amovible (voir photo en quatrième de couverture). L'état de surface requis pour le montage du roulement est Ra=2µm. Le diamètre final doit être de Ø 26 H7. Le matériau est une fonte de dureté Brinell HB=180. II-1 : Étude de l'opération d'ébauche de l'alésage. L'atelier dispose de tout l'outillage classique pour réaliser ce genre d'opération et, entre autre, de forets en ARS de Ø = 2mm à Ø = 30 mm échelonnés tous les 0,5 mm. La gamme généralement mise en œuvre pour réaliser un perçage est la suivante : opération 1 pointage opération 2 perçage premier avant trou opération 3 perçage deuxième avant trou... opération n+1 perçage énième avant trou opération n+2 perçage diamètre final Suivant le cas, on effectuera tout ou partie des (n+1)ième premières opérations. Questions : - Proposer des critères de choix pour chacune de ces opérations (cas de forêts en ARS).

5 - A partir de la question précédente, proposer une démarche pour réaliser un perçage d'un diamètre quelconque. - Proposer finalement, en émettant des hypothèses réalistes (sur les capacités de la machine, sur la pièce, l'outillage,...), un choix d'outils pour réaliser le Ø 24,5 mm (avec les conditions de coupe pour chacun des outils choisis). - Votre raisonnement serait-il le même avec des forêts à plaquettes carbures? II-2 : Étude de l'opération de finition de l'alésage. On se propose d'étudier la déformation de l'outil due aux efforts d'usinage. Le porte plaquette utilisé permet le montage de plaquettes type T-MAX U de longueur d'arête 6mm. Les nuances de plaquettes disponibles à l'atelier sont GC235, S6, CT525, H10A et GC3015. Questions : - À l'aide des documents constructeurs proposés, choisir une vitesse de coupe, une avance qui permettent d'obtenir l'état de surface demandé et une plaquette. Vous donnerez sa désignation constructeur. - Calculer l'effort de coupe Fc, l'effort d'avance Ff et l'effort de pénétration Fp (on supposera Fp = Ff= Fc/3) - Calculer la puissance que le moteur de broche doit fournir pour réaliser cette opération (vous choisirez un rendement de la chaîne cinématique en accord avec la structure des machines modernes). - Représenter graphiquement sur le document réponse A les efforts de coupe (pièce sur porte plaquette) ; - En le justifiant, proposer un modèle simple qui permette de prévoir l influence des efforts sur le diamètre obtenu après déformation du porte plaquette pendant la coupe. II-3 : Prise en compte de la vitesse de rotation. On se propose d'étudier l'influence des seuls "effets d'inertie". Pour cela, on isole l ensemble (tête à aléser + outil), il est en liaison encastrement avec la broche. L ensemble est animé simultanément d'un mouvement de rotation à

6 la vitesse constante ω déterminée précédemment et d'un mouvement de translation uniforme suivant l'axe Z. On assimilera la tête à aléser à un cylindre plein. La totalité des pièces est en acier (densité : 7,8) On souhaite déterminer les actions de la broche sur le système étudié. Questions : - Appliquer le théorème de la résultante dynamique, application numérique ; - En décomposant l ensemble étudié en éléments géométriques simples, déterminer l allure de la matrice d inertie ; - Calculer le moment cinétique de l ensemble en O ; - Appliquer le théorème du moment dynamique, application numérique pour la valeur du Ø usiné; - Quels sont les paramètres géométriques qui influent sur les actions précédemment calculées ; - Comparer la résultante dynamique avec les efforts de coupe ; - Proposer un modèle permettant de prévoir le diamètre obtenu après déformation de l outil dû aux effets dynamiques seuls ; - Analyser qualitativement l apport d un éventuel système d équilibrage de la tète à aléser sur la qualité d usinage (diamètre, rugosité...) et sur les efforts dans les paliers de la broche. PARTIE III : Conception d'une tête à aléser La tête à aléser permet d'usiner plusieurs diamètres par réglage de la position radiale du porte plaquette grâce à la vis micrométrique (voir photo en quatrième de couverture). La commande numérique a un cycle particulier (fonction G86) pour réaliser un alésage avec une tête à aléser. Note : Cette opération est une opération de finition. Questions : - Décrire précisément les différents mouvements de la tête à aléser au cours du cycle d'alésage.

7 - Proposer, à l'aide d'un schéma à main levée, une solution technologique, sans la dimensionner, permettant l'équilibrage complet quelque soit le diamètre usiné. - Faire, en quelques lignes, une étude critique de votre solution, en particulier son adéquation avec le cycle d'alésage (encombrement, possibilités d'usinage,...). Pour des raisons d'encombrement, on se contentera d'annuler la résultante dynamique (équilibrage partiel). Questions : - Dessiner sur le calque document réponse B, aux instruments, une solution complète et simple qui permettent d'annuler la résultante dynamique quelque soit le diamètre d'alésage à réaliser. NB : - Le réglage de l'équilibrage est indépendant du réglage du diamètre usiné. - La tête à aléser est utilisée dans un environnement agressif (lubrifiant, copeaux,...). - Le dispositif de réglage doit être simple à utiliser. - Toutes vues, coupes ou sections, complètes ou partielles, jugées utiles pour la compréhension sont laissées à l initiative du candidat. - Tous les éléments normalisés (vis, écrous,...) doivent être dessinés. - Les matériaux et leurs traitements éventuels, ainsi que les conditions fonctionnelles, doivent être définis.

8 Deuxième de couverture moto-réducteur : vue générale dessin en couple du moto-réducteur

9 Troisième de couverture Schéma synoptique d un centre d usinage 4 axes

10 Quatrième de couverture Exemple de tête à aléser

11 Dessin du CARTER du réducteur 2 Échelle 2 DOCUMENT 1

12 Plaquettes T-MAX U document constructeur 1/4

13 document constructeur 2/4

14 document constructeur 3/4

15 document constructeur 4/4

16 O 27 mm u v 100 mm r G porte plaquette 8 mm rayon usiné r : distance réglable au moyen d'un système à vis micrométrique, r [1,12 ] dimension du porte plaquette : diamètre 15 mm, longueur 70 mm z DOCUMENT RÉPONSE A

17 DOCUMENT RÉPONSE B ( FORMAT A3 )