Usinage à haute performance Conférence Par Yan Boutin, Ing., M. Ing Huron Canada SYS-856 Hiver 2012
Plan de la présentation UHV vs UHP Requis machine pour UHP Dynamique Machine Asservissement Broche Optimisation d usinaged Ébauche Finition Aspects CFAO
Historique UGV Dr. Carl J. Salomon, (1924-1931) 1931) Père de l UHVl
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.
UGV : Oui UHP :?
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
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)
Possibilités UGV/UHP Taux Enlèvement Matière Fini de surface Précision hauteur de crête polissage Efforts de coupe Fabrication JAT Pièces monolithiques
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
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
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 $$$$
Accélération vs Jerk Profil accélération/jerk gérég par CN Lissage profil jerk permet jerk plus élevé! Solicitation mécanique moins brusque
Contrôle du Jerk
Jerk Dynamique exige donc : r max ET r r / t Atteinte rapide de a max : Exploitation a disponible Atteinte rapide F programmé : maintient f z Diminution temps exécution usinage Augmentation précision (rigidité élevée) e) Meilleur fini de surface (rigidité élevée) e) Durée e vie machine (rigidité élevée) e) Moins de vibration (rigidité élevée) e) Jerk est le critère re dynamique le + important
Application pratique du Jerk Changement direction sur parcours : Changement vitesse de chacun des axes Changement vitesse requiert accélération Accélération atteinte régie par jerk!
Application pratique du Jerk
Application pratique du Jerk
En résumr sumé Dynamique Machine Changement direction = v axes r influe sur changement v axes r = Payer pour machine rigide Temps usinage Fini surface Précision Duré de vie machine Vibration a = Payer pour des moteurs d axesd axes.
Asservissement Asservissement : lien commande mouvement
Asservissement Module de puissance CN Convertisseur AC - DC Traitement programme Interpolateur Variateurs 1 par axe Partie contrôle Partie puissance DC - AC
Asservissement CN : Gestion position axes Selon programme Synchronisation axes Traite programme Communique variateurs Variateurs Gestion vitesse Gestion accélération Module de puissance
Asservissement Boucles d asservissement Position (1ms) (P) Vitesse (70 µs) ) (PI) Courant (70 µs) ) (PI) Réglage complexe Régit performance dynamique axes Limitations mécaniquem
Broche Qualités s recherchées es RPM Rigidité Durée e de vie Puissance / Couple Accélération Exige compromis selon produits fabriqués Élément dispendieux $$
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
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
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
Broche Puissance & Couple Courbe broche 25kW 18 000 RPM 15.400 rpm C (S6) = 120 Nm C (S1) = 86 Nm 100 rpm 2.800 rpm 18.000 rpm P (S6) = 35kW P (S1) = 25kW C (S6) = 16 Nm C (S1) = 13 Nm
Broche Courbes Puissance - Couple
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
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 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
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
Calcul puissance ébauche P Q P = = = k a k c e c Q (usinage) a a p e f a p 60 10 6 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
Calcul de puissance - Exemple Acier 4140 à 32 HRC Outil 32mm @ 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!
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
Calcul de puissance - Exemple 1 - Trouver CMC pour 4140 à 32HRC CMC : 02.1 ou 02.2
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.
Calcul de puissance - Exemple 3 - Trouver k c Table avec engagement large Dureté 300 HB k c = 2000 N/mm 2
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 = 0.12-0.22mm Vc = 140 205 m/min RPM = V c x 1000 / (π( x Ø) RPM = 170 000 / (π( x 32) RPM = 1692 f = f z x z x RPM f = 0.22 x 3 x 1692
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 = 357 440 mm 3 /min = 0.36 l/min P = 11.92kW T = 67.27 N.m P P = = kc Q 60 1 000 000 2000 357440 60 1 000 000 T T P*60 = 2πn 11920*60 = 2π 1692 = 11.92kW
Courbes de broches Déterminer si la broche peut réaliser r la coupe Broche 18 000 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
Courbes de broches Déterminer si la broche peut réaliser r la coupe Broche 24 000 RPM 18kW RPM = 1692 P = 11.91kW T=67.3 N.m Surcharge P Surcharge S Solutions
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
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
Optimisation finition Porte-outils outils Qualités s recherchées es Rigidité élevée Battement minimal Encombrement minimal Durée e de vie élevée
Optimisation finition - Trajectoires Trajectoires en douceur Maintient vitesse f, donc conditions de coupe Évite marques sur la pièce