Usinage à haute performance. Conférence Par Yan Boutin, Ing., M. Ing Huron Canada Hiver 2012

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1 Usinage à haute performance Conférence Par Yan Boutin, Ing., M. Ing Huron Canada SYS-856 Hiver 2012

2 Plan de la présentation UHV vs UHP Requis machine pour UHP Dynamique Machine Asservissement Broche Optimisation d usinaged Ébauche Finition Aspects CFAO

3 Historique UGV Dr. Carl J. Salomon, ( ) 1931) Père de l UHVl

4 UGV / UHP UGV : Usinage à Grande Vitesse Défini par les valeurs technologiques Fondement de l UHPl UHP : Usinage à Haute Performance Procédé d usinage abordé comme un tout Définition UHP Procédé d usinage par enlèvement de copeaux réalisé selon une méthode m et des paramètres résultant en une fabrication efficace d un produit fini de qualité.

5 UGV : Oui UHP :?

6 UGV En industrie UGV / UHP Recherche de valeurs numériques élevés RPM (facteur principal) Vitesses d avanced Mémoire CN (Commande Numérique) Etc Technologie mal comprise par l industriel Focus trop étroit sur «vitesses» Cause de mauvais achats de machines Difficile à intégrer au procédé en place en usine

7 UHP En industrie UHV / UHP Intégration logicielle étroite CAO «Design for manufacturing» (rayons coins, géomg ométries) FAO Post Trajectoires en douceur, conditions de coupe constantes Exploitations performances machines Utilisation fonctionnalités s avancées CN PPFUN pour contrôle fin sur programme générég Simulation Protection machine Optimisation temps machine (éviter( arrêts production) MOCN Création cycles avancés s (Palpage( Palpage,, Mesure outil, etc)

8 Possibilités UGV/UHP Taux Enlèvement Matière Fini de surface Précision hauteur de crête polissage Efforts de coupe Fabrication JAT Pièces monolithiques

9 Dynamique Machine UHP peut nécessiter n : Avances élevées es (rapide et usinage) Dynamique machine élevée Accélération Jerk (dériv rivée e de l accl accélération) Permet maintient des vitesses d avance d aux changements de direction

10 Accélération Déterminée e au design F=m*a m : Partie mobile de l axel Pièce et montage a - acceleration a MAX dépends choix moteur axe Affecte temps Affecte v / R

11 r = a a / t Jerk Profil r découle de a Profils contrôlés s par CN Limitation mécaniquem r max = ( a a / t) r t) max Augmente les performances Exige rigidité élevée Analyse EF Risque de résonancesr Vis à billes rigides $$$$

12 Accélération vs Jerk Profil accélération/jerk gérég par CN Lissage profil jerk permet jerk plus élevé! Solicitation mécanique moins brusque

13 Contrôle du Jerk

14 Jerk Dynamique exige donc : r max ET r r / t Atteinte rapide de a max : Exploitation a disponible Atteinte rapide F programmé : maintient f z Diminution temps exécution usinage Augmentation précision (rigidité élevée) e) Meilleur fini de surface (rigidité élevée) e) Durée e vie machine (rigidité élevée) e) Moins de vibration (rigidité élevée) e) Jerk est le critère re dynamique le + important

15 Application pratique du Jerk Changement direction sur parcours : Changement vitesse de chacun des axes Changement vitesse requiert accélération Accélération atteinte régie par jerk!

16 Application pratique du Jerk

17 Application pratique du Jerk

18 En résumr sumé Dynamique Machine Changement direction = v axes r influe sur changement v axes r = Payer pour machine rigide Temps usinage Fini surface Précision Duré de vie machine Vibration a = Payer pour des moteurs d axesd axes.

19 Asservissement Asservissement : lien commande mouvement

20 Asservissement Module de puissance CN Convertisseur AC - DC Traitement programme Interpolateur Variateurs 1 par axe Partie contrôle Partie puissance DC - AC

21 Asservissement CN : Gestion position axes Selon programme Synchronisation axes Traite programme Communique variateurs Variateurs Gestion vitesse Gestion accélération Module de puissance

22 Asservissement Boucles d asservissement Position (1ms) (P) Vitesse (70 µs) ) (PI) Courant (70 µs) ) (PI) Réglage complexe Régit performance dynamique axes Limitations mécaniquem

23 Broche Qualités s recherchées es RPM Rigidité Durée e de vie Puissance / Couple Accélération Exige compromis selon produits fabriqués Élément dispendieux $$

24 Broche Cahier des charges Vitesse de rotation n Matériau T max supportée e par outil Puissance requise taux d enld enlèvement de matière Q requis Matériau (k c constante de coupe) Couple requis Fixé par type d outils d et leur diamètre Outil consommant couple élevé : Fraise a surfacer Taraud - Foret P = Q k Q T = a p = c a f F e r

25 D N = X RPM ( en mm) D N < 2 X 10 6 Roulements réguliersr Billes et cages en acier Roulements hybrides Cages en acier Billes de céramiquec Rigidité T (sphéricit ricité ) RPM 30% + Contact angulaire Précharge Broche - RPM

26 Broche Puissance & Couple Couple limité par encombrement Ø Rotor Longueur Rotor Puissance lié a Couple RPM n Vitesse caractéristique ristique Design bobinage moteur P = T n 2π 60

27 Broche Puissance & Couple Courbe broche 25kW RPM rpm C (S6) = 120 Nm C (S1) = 86 Nm 100 rpm rpm rpm P (S6) = 35kW P (S1) = 25kW C (S6) = 16 Nm C (S1) = 13 Nm

28 Broche Courbes Puissance - Couple

29 Broche - Cycle de charge Limitation thermique moteur broche Génération chaleur dans broche Roulements Effet joule Refroidissement broche Convection Air forcé Groupe froid Si température bobinages augmente trop : Risque d endommager d moteur broche

30 Cycle de charge Cycle de charge S1 = Capacité en continu S3 / S6 : Capacité en intermittence Sur 10 minutes si non spécifi cifié

31 Cycle de charge S3 : Succession cycles de charge 1 Cycle contient : 1 période p avec charge constante sur le moteur 1 période p avec moteur a l arrêtl S6 : Succession cycles de charge 1 Cycle contient : 1 période p avec charge constante sur le moteur 1 période p avec moteur sans charge (en rotation)

32 Cycle de charge Difficile de prévoir cycle de charge Conditions de coupe variables Sécuritaire de rester sous S1 Zone S3/S6 aux risques de l utilisateurl Exploiter zone S1 au maximum Calculer Puissance consommée Calculer Couple consommer Adapter paramètres de coupe Optimiser utilisation machine

33 Optimisation Ébauche Maximiser le taux d enld enlèvement de matière P Q Maximiser P consommée! Terminologie a p : prise de passe axiale a e : prise de passe radiale z : nombre de dents f z : avance par dent

34 Calcul puissance ébauche P Q P = = = k a k c e c Q (usinage) a a p e f a p f a e a p f k c P mm mm mm/min N/mm 2 kw k c : Coefficient de coupe du matériaux Force nécessaire n pour cisailler 1mm 2 Dépends fortement du matériau Affecté par : Angle de coupe de l outill Épaisseur du copeau Température du copeau

35 Calcul de puissance - Exemple Acier 4140 à 32 HRC Outil 3 plaquettes a p max = 10mm a e max = 32mm Plaquettes grade 4020 Usinage lourd Optimiser ébauche : Maximum débit d copeaux (Q) P = k c x Q Donc, nous voulons P maximum!

36 Calcul de puissance - Exemple Étapes Trouver k c Selon matériau Selon dureté Trouver paramètres a e, a p, f et V c Selon données catalogue Selon expérience Selon rigidité machine / montage Calculer Puissance P = k c x a e x a p x f

37 Calcul de puissance - Exemple 1 - Trouver CMC pour 4140 à 32HRC CMC : 02.1 ou 02.2

38 Calcul de puissance - Exemple 2 - Trouver dureté en Brinell 4140 à 32HRC Utiliser tableau d éd équivalences 32 HRC = 300 Brinell Important car dureté influence k c.

39 Calcul de puissance - Exemple 3 - Trouver k c Table avec engagement large Dureté 300 HB k c = 2000 N/mm 2

40 Calcul de puissance - Exemple 4 - Trouver a e, a p, f Grade 4020 a e = 32mm (Ø max outil) a p = 10mm (a p max outil) f = 1117mm/min f z = mm Vc = m/min RPM = V c x 1000 / (π( x Ø) RPM = / (π( x 32) RPM = 1692 f = f z x z x RPM f = 0.22 x 3 x 1692

41 Calcul de puissance - Exemple 5 Calculer Puissance k c = 2000 N/mm 2 a e = 32mm a p = 10mm f = 1117 mm/min Q = a e x a p x f = 32 x 10 x 1117 Q = mm 3 /min = 0.36 l/min P = 11.92kW T = N.m P P = = kc Q T T P*60 = 2πn 11920*60 = 2π 1692 = 11.92kW

42 Courbes de broches Déterminer si la broche peut réaliser r la coupe Broche RPM 10kW RPM = 1692 P = 11.91kW T=67.3 N.m Surcharge P S1 T OK Solutions : a e a p f z z

43 Courbes de broches Déterminer si la broche peut réaliser r la coupe Broche RPM 18kW RPM = 1692 P = 11.91kW T=67.3 N.m Surcharge P Surcharge S Solutions

44 Optimisation finition Minimiser le temps d usinage d et : Réaliser le fini de surface requis Respecter les tolérances prescrites Exige Choix judicieux machine / outils / porte-outil outil Choix conditions de coupe optimales Génération trajectoire outil en douceur

45 Optimisation finition - Outils Qualités s recherchées es Précision du profil Revêtement supporte Température élevés Usure par friction Rigidité élevée Nombre de dents élevé Selon restriction vibratoire et disponibilité

46 Optimisation finition Porte-outils outils Qualités s recherchées es Rigidité élevée Battement minimal Encombrement minimal Durée e de vie élevée

47 Optimisation finition - Trajectoires Trajectoires en douceur Maintient vitesse f, donc conditions de coupe Évite marques sur la pièce

1 2 3 4 5 7 9 A B 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 [Nm] 370 350 330 310 290 270 250 230 210 190 170 150 130 110 90 140 PS 100 PS 125 PS 70 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 RPM [kw] [PS] 110 150 100 136

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2 3 4 5 A 6 7 8 9 [Nm] 370 350 330 [kw] [PS] 110 150 100 136 310 290 270 250 230 210 90 80 70 60 122 109 95 82 190 50 68 170 150 40 54 130 110 90 140 PS 100 PS 125 PS 30 20 41 27 70 1000 1500 2000 2500

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1 2 3 4 5 6 7 9 11 11 B A B A 12 13 [Nm] 370 350 330 310 290 270 250 230 210 190 170 150 130 110 90 140 PS 115 PS 85 PS 70 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 RPM [kw] [PS] 110 150 100 136 90 122 80 109

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2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 [Nm] 400 380 360 340 320 300 280 260 240 220 200 180 160 140 120 156 PS 143 PS [kw] [PS] 120 163 110 150 100 136 90 122 80 109 70 95 60 82 50 68 40 54

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