Usinage à haute performance (partie 2)

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1 Usinage à haute performance (partie 2) Conférence Par Yan Boutin, Ing., M. Ing Huron Canada ÉTS Hiver 2011 Plan de la présentation Broches Qualités s recherchées es Caractéristiques ristiques mécaniquem Caractéristiques ristiques électriques Théorie formation copeau Plan de cisaillement Constante de coupe Calcul puissance en usinage Calcul couple en usinage Broche Qualités s recherchées es RPM Rigidité Durée e de vie Puissance Accélération Exige compromis selon produits fabriqués Élément dispendieux $$ Mesure erreurs - Dilatation Broche Structure interne broche intégrale (électro( lectro-broche) D N = X RPM ( en mm) D N < 2 X 10 6 : Roulements à bille Roulements réguliersr Billes et cages en acier Roulements hybrides Cages en acier Billes de céramiquec Densité billes = F centrifuge Rigidité T (billes + sphériques) RPM 30% + Contact angulaire Précharge 5 - Broche - RPM 5 - Roulements hybrides 1

2 5 - Broche - RPM D N > 2 X 10 6 : Roulements sans contact Pneumatiques (stat / dyn) Hydrodynamiques Magnétiques 5 - Broche Rigidité Roulements à bille = Sans contact = Durée e de vie Roulement à bille = (lub) Sans contact Puissance Défini accélération Relation Couple / Puissance Espace disponible Refroidissement Mesure erreurs - Dilatation Broche Sources de chaleur : Roulements à bille Précharge élevée Efforts de coupe T élevée Refroidissement Moteur broche Important pour électrobroche Refroidissement Outil de coupe En ébauche lourde Huile de coupe Erreurs machines - Broche Dilatation Dynamique Dilatation Thermique Broche Courbes Puissance - Couple Broche Courbes Puissance Couple Déterminées es selon caractéristiques ristiques électriques Fréquence détermine d vitesse rotation Voltage détermine d Puissance (P = V * I) 2

3 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 Cycle de charge Cycle de charge S1 = Capacité en continu S3 / S6 : Capacité en intermittence Sur 10 minutes si non spécifi cifié 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) Cycle de charge - Durée S3 60% : Période de charge de 60% selon cycle S3 Temps par défaut d de 10 minutes Donc pour 6 min sur 10 min Puissance et couple S3 disponibles Pas de dommages thermiques S6 40% (30 min) 12 min sur 30 min ou P et C S6 sont disponibles Permet optimisation utilisation machine Cycles de charge 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 consommé Adapter paramètres de coupe Optimiser utilisation machine 3

4 Théorie formation copeau Forces pendant formation copeau Cisaillement (coupe) Friction contre outil Accélération copeau Phénom nomène ne complexe Déformation a haute vitesse Transfert de chaleur Phénom nomène ne dynamique Vibrations Haute Température Réactions chimiques Copeau formé par cisaillement Force / superficie N / m 2 ou lb / po 2 Plan de cisaillement SP Superficie A théorique Fonte ISO K Inox ISO M 4

5 Acier ISO P Efforts nécessaires n pour former copeau Cisaillement du copeau Friction dans les zones Secondaires Tertiaires Accélération du copeau Couple broche Génère force nécessaire n la génération g du copeau Puissance broche Détermine taux enlèvement de matière, donc débit de copeaux Nécessaire de connaître le couple et la puissance nécessaire n pour permettre optimisation! Relation Puissance - Couple Pour moteur électrique (broche) P = F x v P = C x ω P (Watts) = C x 2π2 x RPM / 60 Donc, relation entre puissance et couple Détermine courbes broches dans plage fonctionnement normal Optimisation Ébauche Terminologie a p : prise de passe axiale a e : prise de passe radiale z : nombre de dents f z : avance par dent Calcul puissance d usinaged W F d P = = (mecanique) t t P = k a a f (usinage) c e N mm P = mm mm 2 mm s N mm F d P = = s t p Q = a a f e p (debit copeaux) mm mm Q = mm mm = s s 3 P = k c x Q k c : Coefficient de coupe du matériaux Force nécessaire n pour cisailler 1mm 2 P = k c x ae x ap x f 5

6 Calcul puissance d usinaged P = k c x ae x ap x f En métrique, m les unités s sont : Mètres pour la distance Secondes pour le temps Newton pour la force Pour la consistance des unités s : k P = c a e a p 6 f P = k c x ae x ap x f Déterminer K C k c est détermind terminé par expérimentation Dépends principalement de : Matériel Dureté Est aussi influencé par : Angles de coupe de l outill Fini de surface de l outil l et revêtement Avance par dent Utiliser les tables fournies par les fabricants Acier 4140 à 32 HRC Outil 32mm Sandvik R390 Sélection nombre de dents : 3 Sélection plaquette : H Acier 4140 à 32 HRC Outil 32mm R C4 032C4-11M a p = 10mm a e = 32mm Plaquettes R T3 10M-KH Grade 4020 Usinage lourd Optimiser ébauche : Maximum débit d copeaux (Q) P = k c x Q Donc, nous voulons P maximum! Étapes Trouver k c Déterminer CMC Déterminer dureté Déterminer k c Trouver paramètres a e, a p, f et V c Déterminer valeurs maximales pour outil selon expérience et catalogues Calculer Puissance P = k c x a e x a p x f 1 - Trouver CMC pour 4140 à 32HRC CMC : 02.1 ou

7 2 - Trouver dureté en Brinell 4140 à 32HRC 3 - Trouver k c Table avec engagement large Dureté 300 HB k c = 2000 N/mm 2 Utiliser tableau d éd équivalences 32 HRC = 300 Brinell Important car dureté influence k c. 4 - Trouver a e, a p, f Grade 4020 a e = 32mm (Ø max outil) a p = 10mm (a p max outil) f = 690mm/min f z = mm Vc = m/min RPM = V c x 1000 / (π( x Ø) RPM = / (π( x 32) RPM = 1044 f = f z x z x RPM f = 0.22 x 3 x Calculer Puissance k c = 2000 N/mm 2 a e = 32mm a p = 10mm f = 690 mm/min Q = a e x a p x f = 32 x 10 x 690 Q = mm 3 /min P = k c x Q kc Q P = P = 7.4kW P = = 7.4kW Courbes de broches Déterminer si la broche peut réaliser r la coupe P = 7.4kW, RPM = 1044 Broche RPM 10kW OK! Pas Optimal 75% Puissance Couple Courbes de broches S1 / S6 Vitesse caractéristique ristique 7

8 Courbes de broches Déterminer si la broche peut réaliser r la coupe P = 7.4kW, RPM = 1044 Broche RPM 18kW Pas OK! Surcharge! 4.5kW max Solutions? a e a p f RPM Ø Type outil Exemple dans l acierl P20 à 30HRC Outil grande avance R C3 036C3-09M09M a p max = 1.2mm z = 3 f z max = 2mm Dc = 21.9mm D 3 = 36mm Vc = 180m/min P =? Fraise grande avance Exemple dans l aluminiuml 6061-T6 Fraise surfacer Century R590 a p max = 11mm a e = 75mm z = 6 f z max = mm 0.4mm Dc = 80mm Vc = 800m/min P =? Conclusion Optimisation ébauche : Rapide à réaliser Une fois par couple outil-broche broche-matériel Augmente efficacité procédé Diminue temps fabrication des pièces MERCI! 8