Concours Génie Mécanique SCIENCES DE LA PRODUCTION Etude d une opération d usinage sur tour à commande numérique Ce sujet comporte 2 parties indépendantes. Il est conseillé de consacrer deux heures à chacune d entre elles. - partie I : Etude de la réalisation de l éprouvette. - partie II : Etude du tour à commande numérique. Il est composé : - d un texte de 6 pages, - de 12 documents (documents F1 à F8 et B1 à B4), - d un document réponse (calque préimprimé format A3). Le candidat devra impérativement rendre avec sa copie le document réponse. Pour l ensemble des questions, le candidat s attachera à définir clairement sa méthodologie d analyse.
L entreprise SAND S.A. réalise des travaux de sous-traitance pour différents établissements. Pour cela elle dispose, entre autre, d un tour deux axes à commande numérique. L étude proposée ici concerne la réalisation d une pièce sur ce tour et l étude d un sous-ensemble de cette même machine. PARTIE I : Etude de la réalisation de l éprouvette I-1) Choix des conditions de coupe d'une opération de tournage Le but de cette partie est de déterminer les conditions de coupe (choix d'outils et paramètres de coupe) qui permettront de satisfaire aux contraintes d'état de surface de la pièce suivante : Pièce (documents F1 et F2) : Nuance C 38, HB 150 (ancienne désignation : XC 38). Brut : 30 longueur 115 mm. Préalablement centrée dressée. Série de 1000 pièces. On dispose de : Support de plaquette : Désignation du corps d'outil (norme ISO) SV...... (document F3). Section 20 20 mm. 1
Plaquette : Outil à plaquette carbure à jeter. Nuance du carbure, désignation Sandvik (documents F4 et F5). Géométrie plaquette et diagramme brise copeaux (documents F6 et F7). Relation état de surface, avance et rayon de bec d'outil (document F8). Machine : Tour deux axes à commande numérique de contournage, changeur d'outil automatique. Vitesse de broche variable en continu de 50 à 6000 tr/mn. Vitesse d'avance programmable de 0,001 à 9,999 mm/tr à concurrence de 10 000 mm/mn. Puissance Maxi utile : 8Kw. Remarque : On considérera que la pièce et le porte-pièce sont rigides. On ne s intéressera pas à la partie filetage. Il sera tenu compte de l'argumentation et de la qualité des réponses. Question 1 : Quel est l'intérêt d'une telle prise de pièce? Question 2 : En fonction du dessin de définition de la pièce et des documents proposés, choisir le(s) outil(s) (porte-plaquette et plaquette) le(s) mieux adapté(s) au problème posé. Vous donnerez la désignation constructeur. Question 3 : En utilisant les documents qui vous sont proposés, donner les valeurs de la vitesse de coupe, de l'avance et de la profondeur de passe pour réaliser l ébauche. Question 4 : Donner les valeurs de la vitesse de coupe et d'avance pour réaliser la finition. 2
Question 5 : Le réglage des jauges outils a été effectué sur un banc de préréglage. Ce dernier génère un défaut de mesure des jauges de ±0,005 mm sur chaque axe. De plus lors de la remise en position de l'outil sur la tourelle porte-outil un défaut de ±0,02 mm apparaît, sur chaque axe également. En justifiant votre réponse, que pensez-vous de l'obtention de la spécification 26 h7? Quelle solution proposez-vous afin de remédier au problème? Question 6 : Quels autres défauts peuvent influer sur la qualité du cylindre A? I-2) Traitement thermique Afin d'améliorer les caractéristiques mécaniques on souhaiterait, à l avenir, faire subir un traitement thermique à cette éprouvette. Nous allons déterminer les différents paramètres nécessaires à ce traitement. Question 1-a : On envisage d'effectuer un traitement thermique appelé trempe. Après avoir rappelé le principe de ce traitement, présenter les avantages et inconvénients d'une telle opération. Question 1-b : A quel stade de la réalisation de la pièce placez-vous cette opération? Pour quelles raisons? Question 2 : Après avoir donné la signification normalisée du matériau, indiquer la température de chauffe nécessaire. Pour cela, il est demandé de justifier sa réponse en s appuyant sur le diagramme de phases des alliages Fer-Carbone. Question 3 : Sachant que l on souhaite obtenir une dureté de 45 HR c, quel fluide utiliseriez-vous pour le refroidissement? De quel type de courbe(s) auriez-vous besoin pour justifier votre choix? 3
I-3) Métrologie et contrôle On souhaite contrôler la qualité des usinages réalisés. Question 1 : Exprimer, dans le cas précis de cette pièce la signification des spécifications suivantes : 0,01 0,05 Question 2 : A 0,1 B concernant le 26 Expliquer, dans le cas précis de cette pièce le mode opératoire du contrôle des spécifications suivantes : 0,01 0,05 A Le candidat présentera le matériel utilisé ainsi que le déroulement des opérations. PARTIE II : Etude du tour à commande numérique Dans cette partie, nous allons tout d abord étudier le fonctionnement de la tourelle porte-outils. Ensuite, nous implanterons un codeur incrémental nécessaire pour contrôler vitesse et position de l axe de la broche sur le tour à commande numérique. II-1) Étude de la tourelle porte-outil Description d un cycle de changement d outil. Les actionneurs de ce système sont : - Un moteur frein avec réducteur (non représenté sur le document B1) qui entraîne la pièce N 2 - Un électro-aimant pour le mouvement du doigt d indexage N 1. Le changement d outil s effectue par rotation de la tourelle. Ce système dispose de 12 emplacements de type VDI 30 pour les différents outils. 4
Un cycle se déroule de la façon suivante : - Arrêter l usinage. - Désexciter le frein et commander la rotation du moteur dans le sens désiré. La tourelle N 3 tourne. - Juste après avoir passé la position précèdent la position à atteindre, exciter l électro-aimant pour faire descendre le doigt d indexage N 1. - La tourelle continue de tourner jusqu à ce que le téton d indexage poussé par l électro-aimant entre dans la rainure d arrêt mécanique. L entrée du téton est relevée par le détecteur N 4 qui doit commander l arrêt immédiat du moteur qui, après un temps T1, doit repartir en sens inverse. - Dans cette phase, la tourelle se bloque. Le blocage est relevé par le détecteur N 5. Le moteur est arrêté et le frein actionné. L usinage peut commencer. - L électro-aimant est désexcité. Le doigt d indexage N 1 remonte. Le système est dans la position représentée sur le document B1 pendant la phase d usinage. Remarque : Il est indispensable d étudier attentivement les documents B1, B2 et B3. Question 1 : Établir le schéma cinématique de ce système en justifiant la modélisation des différentes liaisons. Question 2 : Dessiner à main levée l allure de la came N 6. Question 3 : Cette tourelle est destinée à être placée sur le chariot mobile du tour, qui se déplace suivant les axes X et Z. Le support des outils de type VDI 30 est positionné sur la pièce N 3 de la tourelle. Quels réglages faut-il prévoir sur ces différents éléments pour garantir le bon fonctionnement du tour et la qualité dimensionnelle des pièces? Justifier vos réponses en tenant compte du caractère spatial du problème. 5
II-2) Implantation d un codeur incrémental On souhaite que l axe de broche soit asservi en vitesse et en position (axe C). Pour cela, on va équiper la broche d un système de mesure de la position notamment grâce à un codeur incrémental. Question 1 : Quel est l intérêt d asservir en vitesse et position l axe de broche? Question 2 : Il s agit de mettre en place le codeur de type rod 200 (document B4). Pour ne pas changer l architecture de la machine, on utilisera une courroie pour transmettre le mouvement de la broche au codeur. On aura donc une poulie d entraînement sur la broche et un ensemble poulie, codeur, en liaison pivot avec le bâti. Dimensions : Poulies 96 mm. Courroie largeur 5 mm. Dessiner sur le calque document réponse une solution complète et simple. - Toute vue, coupe ou section, complète ou partielle, jugée utile pour la compréhension sera laissée 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. 6
+0,1-0,1 28 M16 A B Ra 1,6 26 h 7 0,01 0,1 B 20,70 45 o 26 14 0-0,3 0,05 A 0,1 B 26 h 7 0-21 µ m Ech : 1 Trous de centre admis États de surface : Ra 3,2 Matière C 38 EPROUVETTE Document F1
ÉTUDE DE FABRICATION Référence document : F2 BUREAU DES MÉTHODES 1/1 Élément : Eprouvette Programme : %1000 Sous ensemble : Eprouvette Matière : C 38 HB 150 Ensemble : Brut : 30 L=115 centré dressé Désignation : TOURNAGE CN Machine-Outil : Tour à commande numérique Cazeneuve z Entraînement par picots Feuille d opérations (*) Rayer la mention inutile Désignation des opérations Outils v c (*) a p a r z T D f f z a a Ebauche chariotage Finition Outil carbure Outil carbure Filetage Outil carbure 80 2 2 v c : Vitesse de coupe (m/mn) a p : Profondeur de passe en tournage (mm) z : Nombre de dents f : Avance par tour (mm/tr) a a : Profondeur de passe axiale en fraisage (mm) T : Numéro du poste f z : Avance par dent (mm/dent) a r : Profondeur de passe radiale en fraisage (mm) D : Numéro du correcteur Document F2
1 4 3 6 voir document B2 3 galets à 120 2 voir document B3 Document B1
Document B2 5
Document B3 2
Document B4