Equipe procédés de fabrication Usinage par outil coupant T.D. EXERCICES

Département Génie Mécanique Conception - 3GM* Equipe procédés de fabrication Usinage par outil coupant T.D. EXERCICES TOURNAGE FRAISAGE PERCAGE Edition 2016/2017

Exercice 1 On désire réaliser une série d arbres conformes au dessin de la Fig.1. L opération d ébauche de la partie droite de l arbre se fait en quatre passes successives. Une surépaisseur de 0.5 mm au rayon (1 mm au diamètre) est conservée pour réaliser une passe de finition (non étudiée). Les opérations de chariotages et de dressages sont réalisées à la vitesse d'avance depuis ou jusqu au plan de sécurité correspondant. La distance de sécurité est de 2 mm pour le plan axial en bout de barre (entrée de passe) et de 1 mm pour le plan radial (sortie de passe). 1. Dessiner sur un croquis le parcours outil en différenciant vitesse rapide et vitesse lente. On admettra que la position initiale et finale de l outil est identique. 2. En supposant que le temps d approche depuis la position initiale jusqu au début de la première passe vaut 0,1 s, et que le retour depuis la sortie de la dernière passe vaut 0,15 s, déterminer le temps nécessaire pour réaliser cette opération. 3. Déterminer le débit de matière instantané rencontré pendant l ébauche. 4. Déterminer le débit de matière global pour réaliser l ébauche étudiée. 5. En considérant que l outil d ébauche n est utilisé que pour l opération étudiée, calculer sa durée de vie (en temps et en nombre de pièce). 6. Calculer l effort de coupe. 7. Calculer le couple résistant à la rotation du mandrin créé par l usinage. 8. Déterminer la puissance nécessaire à la réalisation de cette opération. Paramètres de coupe : V c = 450 m/min ; f = 0,45 mm/tr ; a p = à définir V f _ rapide = 16000 mm/min Matière usinée : XC38 Propriétés de l outil : Carbure revêtu, κ r = 95,γ o = 5 COM, durée de vie : T ref = 15 min ; Vc ref = 300 m/min ; f ref = 0,4 mm/tr ; a p_ref = 4 mm COM, effort de coupe : k c ref = k c (e ref = 0,4 ; γ o ref =10 ) = 2100 MPa brut 61 a p 48 h6 90 25 M38 x 1,5 ARBRE Matériau : XC38 Fig. 1 : Plan de définition PRODUC31 Usinage par outil coupant 3GM* V2014-2015 2

Exercice 2 : Épaisseur découpée et angles d outil La pièce représentée ci-dessous en cours de fabrication est un attachement de fraisage (cône porte-outil). La phase de finition des surfaces extérieures est réalisée en deux opérations sur un tour CN (rotation maxi = 2500 tr/min) : Opération 1 : contournage du contour ABCDE Paramètres de coupe : V c = 350 m/min, f= 0,15 mm/tr, a p = 1 mm Outil à charioter : κ r = 95 ; γ o = 5 ; α o = 6 ; R ε = 0,4 mm. Opération 2 : tronçonnage Paramètres de coupe : V c = 100 m/min, f = 0,2 mm/tr Outil à tronçonner : γ o = 5, α o = 6. (Arête de coupe parallèle à l axe de la pièce) Questions : 1) Contournage de finition a) Le contournage est effectué en un seul passage continu A-B-C-D-E. Déterminer l épaisseur découpée obtenue au cours de l opération de contournage sur les différentes sections du contour. b) Il est convenu de garder une épaisseur découpée supérieure à 0,1 mm. Indiquer pourquoi et conclure quant à la validité du trajet proposé. c) Calculer la rugosité théorique générée lors du contournage. Cette valeur vous semble-t-elle compatible avec les fonctions attendues des surfaces? 2) Tronçonnage a) Indiquer les valeurs des angles d arête de l outil à tronçonner (outil en main). b) Tracer l évolution de la fréquence de rotation N et de la vitesse de coupe V c au cours de l opération. Que peut-on conclure vis-à-vis de la qualité de la surface ainsi générée? c) Déterminer la variation de l angle de dépouille effectif de l outil au cours du tronçonnage. PRODUC31 Usinage par outil coupant 3GM* V2014-2015 3

Exercice 3 : Angles caractéristiques d un foret hélicoïdal Le forêt est un outil de coupe pour lequel les angles caractéristiques sont variables le long des deux arêtes tranchantes. L angle de coupe γ o varie linéairement en fonction du rayon, dans la partie hélicoïdale des faces de coupe ; il est égal 20 à l extérieur (point O), puis il diminue et devient négatif dans la partie centrale (âme). Indiquer sur de dessin ci-dessous : les faces de coupe et les faces de dépouille, les axes X (mouvement de coupe), Y (mouvement d avance) et Z au point O, les plans caractéristiques (plan de référence P r, plan de travail P f, plan d arête P s ), les angles orthogonaux des faces (coupe γ o, dépouille α o et angle de taillant β o ), les angles d arête (direction κ et inclinaison λ). PRODUC31 Usinage par outil coupant 3GM* V2014-2015 4

A B C O O ' '' A B C O A-A O ' B-B O '' Ex. 2 Angles caractéristiques d un forêt C-C PRODUC31 Usinage par outil coupant 3GM* V2014-2015 5

Exercice 4 : Calcul du couple de perçage L angle de coupe d un foret hélicoïdal varie linéairement en fonction du rayon dans la partie hélicoïdale de la surface de coupe, et devient fortement négatif dans la partie centrale (âme du foret), voir Fig. 1. Il en résulte dans cette zone un effort spécifique de coupe important. Pour éviter cet inconvénient, on réalise le perçage d un avant-trou quand le trou à percer est de grand diamètre. On désire réaliser un trou de diamètre 26 mm après l usinage d un avant trou de diamètre 10 mm, dans une pièce en acier XC38 (k c 0,4 10 = 2100 Mpa), avec les conditions suivantes : V c = 25 m/min ; f = 0,3 mm/tr. La variation de l angle de coupe γ du foret le long du rayon est indiquée sur la figure 1. L angle de pointe du foret est de 120. Questions : 1) Déterminez la valeur du couple de perçage : a) Exprimer l effort de coupe df c généré sur une section découpée élémentaire ds par un élément d arête tranchante situé à une distance r de l axe du foret (figure 2). b) Exprimez le couple dc associé à cette section ds. c) Calculer le couple d usinage généré lors du perçage. 2) Calculer la puissance de coupe associée à cette opération de perçage. 20 γ 26 5 13 r (mm) r - 60 10 dr f / 2 ds Figure 1 : Angle de coupe Figure 2 : Modélisation PRODUC31 Usinage par outil coupant 3GM* V2014-2015 6

Exercice 5 : Contraintes de production et optimisation On désire réaliser une opération de chariotage sur une pièce en XC38 avec un outil carbure revêtu sur un tour CN. La gamme envisagée est une phase d ébauche, suivie d une phase de finition. Une géométrie de plaquette de type CNMG est retenue pour l ébauche. Les données technologiques sont les suivantes : diamètres initial : 140 mm diamètre final : 120 mm, longueur usinée : 200 mm, ébauche envisagée en une, deux, ou quatre passes surépaisseur pour finition : 1 mm, puissance et couple maxi à la broche : 20000 W et 350 Nm, plage des vitesses : N de 50 à 2500 tr/min, Opération d ébauche Choix du couple outil matière : 1) Justifier le choix d un porte-plaquette de type Coroturn RC. 2) Justifier le choix d une plaquette de type CNMG. 3) Choisir des dimensions de plaquette et de porte-plaquette adaptés au travail envisagé. 4) Choisir une nuance de plaquette adaptée au travail envisagé. 5) Donner le coefficient spécifique de coupe à retenir pour le matériau à usiner. Dans la suite, on considère que l angle de coupe n a pas d influence sur l effort de coupe (Kγ=1). Représentation du domaine d utilisation couple outil-machine Sur un graphe en coordonnées logarithmiques [Vc=f(f)], représenter : 6) les limites cinématiques de la machine, 7) les limites géométriques de l outil, 8) les limites en puissance pour les trois possibilités de profondeurs de passe, 9) les limites en couple pour les trois possibilités de profondeurs de passe, 10) les limites d endurance de l outil pour une durée d outil de 15 min et pour les trois possibilités de profondeurs de passe. Interprétation du graphe et des équations 11) Indiquer la solution conduisant au débit de copeau maximal. 12) Pour a p = 2,25 mm, déterminer les valeurs des conditions cinématiques (V c, f) pour utiliser toute la puissance disponible à la broche du tour et pour prévoir un changement d outil toutes les 15 min de temps copeau. 13) Pour a p = 4,5 mm, quelle devrait être la puissance utile disponible à la broche du tour pour travailler à couple maxi à la broche et obtenir une durée d outil de 15 min? 14) Pour a p = 4,5 mm, on désire utiliser le tour au maximum de ses capacités ; déterminer la durée de vie de l outil. PRODUC31 Usinage par outil coupant 3GM* V2014-2015 7

Exercice 6 : Coûts et volume de production On choisit de réaliser l usinage de l exercice précédent en deux passes de profondeur a p =4.5mm. Les données économiques liées au poste de travail (machine et outil) sont les suivantes : - coût horaire de la machine-outil = 60 /h, - prix d achat d une plaquette = 10 (4 arêtes utiles), - prix du porte plaquette et des éléments de fixation = 200 (renouvelés toutes les 100 plaquettes), - temps de changement d une arête de coupe = 2 min, - temps annexes par pièce usinée = 1,5 min (montage/démontage, retour de l outil et temps de prise de passe à V f_rapide ). 1- On souhaite réaliser cet usinage avec f = 0,5 mm/tr. Pour ce cas de figure, déterminer les valeurs optimales de la vitesse de coupe et de la durée d outil qui conduisent au plus faible coût global de production (V c éco et T éco ), et à la plus forte production horaire de pièces (V c Q et T Q ). 2- Les valeurs de vitesses optimales déterminées sont-elles atteignables sur la machine utilisée compte tenu des contraintes déterminées précédemment? 3- Déterminer alors les valeurs de vitesse de coupe atteignables menant au plus faible coût de production et à la plus forte production horaire. Calculer le coût global, les différents coûts partiels de production (coûts d usinage, coûts d outil, coûts de changement d arête de coupe et coûts fixes) ainsi que la production horaire à ces vitesses. PRODUC31 Usinage par outil coupant 3GM* V2014-2015 8

4- Annexe 1 : Extraits du catalogue Sandvik 2008 PRODUC31 Usinage par outil coupant 3GM* V2014-2015 9

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