Transfert de données et outils équilibrés, facteurs importants en UGV L 'UGV nécessite l'emploi de machines-outils spécifiques. Il est également tout aussi important de disposer de logiciels et de commandes numériques présentant des caractéristiques et options spécifiques permettant la programmation de trajectoires d'outils optimales. Dans cet article, nous abordons l'importance de disposer d'attachements adéquats et d'outils équilibrés. CAD/CAM AND CNC STRUCTURES L UGV a mis en évidence la nécessité de développer la technologie FAO et CNC de façon radicale. L UGV ne veut pas dire simplement contrôler et commander les axes ainsi que faire tourner les broches plus rapidement. Les applications d UGV ont fait naître le besoin d une communication beaucoup plus rapide entre les différentes unités entrant dans la chaîne de production. Il existe également en UGV des conditions propres à ce processus de coupe que les machines CNC conventionnelles ne peuvent pas traiter. Ce type de structure se caractérise par une configuration spécifique des données pour chaque ordinateur. L échange de données Géométrie de la pièce. CAO création/dessin d un modèle géométrique 3D basé sur des calculs mathématiques poussés (courbes Bezier ou NURBS) Trajectoire d outil générique. Création de fichiers FAO représentant les trajectoires d outil, les méthodes d approche, les outils et conditions de coupe, etc. Programme CN. Création d un programme CN via le post-traitement des fichiers FAO pour un type de contrôleur spécifique Usinage de la pièce, moule ou matrice, etc. via les commandes en provenance de la CNC. d un ordinateur à l autre ne peut se faire que s il y a adaptation et transcription. De plus la communication est à sens unique. Il y a souvent plusieurs types d interfaces sans qu il y ait de standard commun. DOMAINES PROBLÉMATIQUES Le principal problème est qu une CNC conventionnelle ne comprend pas les informations géométriques avancées en provenance des systèmes de CAO/FAO s il n y a pas transcription et simplification. Cette simplification veut dire que ces informations géométriques de haut niveau (courbes complexes) issues de la CAO/FAO sont transformées en trajectoires d outils primitives, basées sur des lignes droites entre des points avec une certaine marge de tolérance. Au lieu d une ligne parfaitement courbe, on aura une trajectoire d outil linéaire. Afin d éviter la formation de facettes, de marques dues aux vibrations et de conserver un bon état de surface sur la pièce, la résolution doit être très élevée. Plus la tolérance sera étroite (la valeur séparant deux points doit être normalement comprise entre 2 et 20 microns), plus le nombre de blocs CN sera élevé. Ceci est également vrai pour les vitesses plus la vitesse de coupe et l avance de table seront élevées, plus le nombre de blocs CN sera important. De ce fait, on peut constater aujourd hui que certaines applications d UGV sont limitées car les temps de cycle des blocs ont atteint des niveaux proches de 1msec. Des temps de cycles aussi courts nécessitent une énorme capacité de transfert des données. Cela va donc créer des goulots d étranglement pour tout le processus à cause d une surcharge des réseaux de l atelier et va nécessiter également une capacité de mémoire importante de la CNC et un système informatique puissant. Un bloc CN comporte généralement 250 bits et si le temps de cycle du bloc se situe entre 1 et 5 msec, la CNC doit pouvoir traiter entre 250 000 et 500 000 bits/sec! Prise de cotes. Enregistrement et transmission des jauges outils, CAQ (Computer Aided Quality assurance) La structure classique permettant de générer des données et de réaliser l usinage et le processus de prise de cotes peut ressembler à l'illustration ci-dessus. 13
CAO principe géométrique Ex. NURBS P 0, G 0, G 1 K P 2, G 2 P 3, G 3 NOUVELLE TECHNOLOGIE À BASE NURBS La solution récemment développée pour résoudre les problèmes mentionnés cidessus est basée sur ce qu on pourrait appeler «la programmation CN indépendante de la machine». CAO principe géométrique standard G1 G3 P 2 P 0 P 0 M 1/ Taille Bande de tolérance Cette intégration de la CAO FAO CNC implique que la programmation de la CNC considère une machine-outil générique qui comprend toutes les commandes géométriques en provenance de la programmation CN. La technique est basée sur le fait que la CNC adapte automatiquement l axe spécifique et la configuration de la fraise pour chaque machine-outil et montage spécifiques. Ceci inclut par exemple les corrections de déplacement des pièces (sur la table machine) sans la moindre modification du programme CN. Ceci est possible car le programme CN est relatif aux différentes déviations par rapport à la situation réelle. FAO P 3 Contour d origine Trajectoire d outil linéaire Bande de tolérance Amplitude de l erreur indépendante de la machine spécifique à la machine Postprocesseur Armoire CNC FAO Rapidité de la trajectoire d outil Nombre de blocs CN/sec. indépendante de la machine Armoire CNC Les trajectoires d outils basées sur des lignes droites offrent des transitions discontinues. Pour la CNC, ceci signifie des sautes de vitesses importantes entre les différentes directions des axes machine. La seule façon dont la CNC peut résoudre ce problème consiste à ralentir la vitesse des axes dans une «situation de changement de direction», par exemple dans un angle. Ceci se traduit par une perte de productivité importante. Le NURBS se fonde sur trois paramètres : les pôles, les poids et les nœuds. Comme les NURBS sont basés sur des mouvements non linéaires, les trajectoires d outils présentent des transitions continues et il est possible de conserver des vitesses d accélération, de décélération et d interpolation beaucoup plus élevées. L augmentation de productivité peut être de l ordre de 20 à 50 %. Les mouvements sans à-coup entraînent également un meilleur état de surface et une plus grande précision dimensionnelle et géométrique. V trajectoire max1 P 2 P 3 P 4 P 5 P 6 P7 Pol 2 Contrôle du polygone V trajectoire P 2 P 3 P 4 P 5 P 6 P 7 Temps La technologie CNC conventionnelle ne prend absolument pas en considération les conditions de coupe. Elle ne se préoccupe que de la géométrie. Les systèmes de programmation modernes offrent des valeurs constantes de vitesse de surface et de vitesse de broche. A l intérieur d un même bloc CN, la CNC ne peut interpoler qu une valeur constante. Il existe donc une fonction «échelon» pour les changements d avance et de vitesse de broche. Pol 1 V trajectoiremax2 Pol 3 V trajectoiremax1 V trajectoire max2 V trajectoire Temps Ces changements rapides et importants entraînent également une fluctuation des efforts de coupe et une flexion de l outil, ce qui a une forte influence négative sur les conditions de coupe et la qualité de la pièce. 14
, G 1 P 0, G 0 P 4, G 4 P 2, G 2 P 3, G 3 P (u) P = (P 0,, P 2, P 3 ) G = (G 0, G 1, G 2, G 3 ) K = (K 0, K 1, K 2, K 3, K 4, K 5, K 6, K 7, K 8 ) 3, G 13 2, G 12 1, G 11 P 21, G 21 P 31, G 31 P 41, G 41 P (v) P u,v = G u,v = K u,v = 1, G 12,3 P 21, G 22,P 23 P 31, G 32,P 33... G 11, G 12,G 13 G 21, G 22,G 23 G 31, G 32,G 33... K 11, K 12,K 13 K 21, K 22,K 23 K 31, K 32,K 33... Ces problèmes peuvent toutefois être résolus si on utilise une interpolation NURBS également pour les commandes technologiques. La vitesse de surface et la vitesse de broche peuvent être programmées avec l aide du NURBS, ce qui permet un changement sans à-coup et très favorable des conditions de coupe. Des conditions de coupe constantes se traduisent par des variations de charge en douceur pour les outils de coupe, ce qui est tout aussi important que d avoir une surépaisseur constante à usiner dans les applications d UGV. La technologie NURBS représente une forte densité de données CN comparée à la programmation linéaire. Un bloc NURBS représente, pour une tolérance donnée, un grand nombre de blocs conventionnels CN. En d autres termes, les problèmes liés à la capacité de communication et à la nécessité d avoir des temps de cycle courts par bloc sont résolus dans une large mesure. FONCTION ANTICIPATION Dans les applications d UGV, le temps d exécution d un bloc CN peut, dans certains cas, ne pas dépasser 1ms. Ce laps de temps est beaucoup plus court que le temps de réaction des différentes fonctions des machines-outils, qu elles soient mécaniques, hydrauliques ou électroniques. En UGV, il est donc absolument essentiel de disposer d une fonction anticipation avec intelligence géométrique intégrée. Si on ne dispose que d une fonction d anticipation conventionnelle qui ne peut lire que quelques blocs à l avance, la CNC doit ralentir et entraîner les axes à une vitesse de surface si faible que toute modification de l avance peut être contrôlée. Dans ce cas, bien évidemment, les applications d UGV ne sont pas possibles. Une fonction anticipation avancée doit pouvoir lire et vérifier des centaines de blocs à l avance en temps réel et identifier/ définir les cas où la vitesse de surface doit être modifiée ou toute autre action entreprise. Avance programmée, F F 6 F 5 F 4 F 3 F 2 F 1 Changement radical des conditions de coupe Perte de productivité machine Avance programmée F Vitesse programmée de la rotation broche, S Vitesse programmée de la rotation broche, S S 4 S 3 S 2 S 1 Importante usure de l outil Qualité de pièce médiocre Programmation conventionnelle Programmation et interpolation NURBS Programmation conventionnelle Programmation et interpolation NURBS 15
La partie supérieure de cette pièce a été usinée avec une machine ne possédant pas de fonction anticipation suffisante et il apparaît clairement que les rayons ont été surusinés comparée à la partie inférieure usinée avec une fonction anticipation suffisante. Une fonction anticipation moderne analyse la géométrie en cours d usinage et optimise la vitesse de coupe en fonction des changements de courbes. Elle contrôle également que la trajectoire d outil est bien conforme à la plage de tolérances. La fonction anticipation est une fonction de base pour tout système de commande numérique utilisé pour l UGV dont la conception, l utilité et la polyvalence peuvent être très variables d une machine à l autre. CHOIX DES ATTACHEMENTS De la même façon que la CAO/FAO et la CN sont des facteurs importants pour obtenir de bons résultats d'usinage et une production optimisée, les attachements/outils de coupe jouent eux aussi un rôle déterminant. Un des principaux critères à prendre en considération lors du choix des attachements et des outils de coupe est l'obtention d'un faux-rond le plus faible possible. Plus le faux-rond sera limité, mieux la charge sera répartie sur toutes les plaquettes de la fraise (Un faux-rond égal à zéro engendrerait en théorie la meilleure durée de vie d'outil et le meilleur état de surface). Dans les applications d UGV, l importance du saut radial est cruciale. Le TIR (Indicateur total de faux-rond) doit être de 10 microns maximum au niveau de l arête de coupe. Il faut se souvenir que dix microns supplémentaires au niveau du saut radial se traduisent par une réduction de 50 % de la durée de vie d outil! L équilibrage comporte plusieurs étapes et se déroule généralement comme suit : Mesurer le balourd de l outil/du porteoutil sur une machine d équilibrage Réduire le balourd en changeant l outil,en l usinant pour enlever de la masse ou en déplaçant les contrepoids s il s agit d un porte-outil équilibrable. Il est souvent nécessaire de recommencer la procédure pour re-vérifier l outil et affiner les réglages faits au préalable pour obtenir un bon équilibre. L équilibrage de l outil ne résout pas tous les problèmes d instabilité. Il peut y avoir entre autres un mauvais ajustement entre le porte-outil et l interface de la broche. Ceci s explique par le fait qu il y a souvent un jeu important dans la fixation et il peut également y avoir un copeau ou de la poussière à l intérieur du cône. Il y a peu de chance que le cône s ajuste de la même manière à chaque fois. La présence d un corps étranger peut créer un déséquilibre même si l outil, le porte-outil et la broche sont tout à fait fiables par ailleurs. L équilibrage des outils est une source supplémentaire de coûts et il faut dans chaque cas vérifier si la réduction de coûts engendrée par l équilibrage se justifie. Dans certains cas, il n existe néanmoins pas d autre solution pour obtenir la qualité d usinage souhaitée. Toutefois, une sélection minutieuse des outils appropriés à l opération permet souvent d obtenir un bon équilibre. Lors du choix de vos outils, veillez à respecter les points suivants : Achetez des outils et des porte-outils de qualité. Recherchez des porte-outils déjà préusinés pour supprimer le balourd. Préférez les outils courts et aussi légers que possible Inspectez régulièrement vos outils et porte-outils pour détecter les fissures dues à la fatigue et les signes de torsion. Le balourd de l outil que le processus d usinage peut accepter est déterminé par le processus lui-même, à savoir les efforts de coupe, l équilibrage de la machine et dans quelle mesure il y a interférence entre ces deux facteurs. C est en procédant par tâtonnement qu on trouvera le meilleur compromis d équilibre. Pour ce faire, répéter l opération plusieurs fois en utilisant des valeurs différentes en partant par ex de 20 g-mm et en allant en diminuant. Après chaque opération, adopter un outil plus équilibré et recommencer. L équilibre optimal est obtenu quand on arrive au point où une nouvelle amélioration de l équilibrage de l outil n entraîne plus d amélioration de la précision ou de l état de surface de la pièce ou lorsque l usinage respecte les tolérances spécifiées pour la pièce. Il faut toujours rester concentré sur le processus d usinage et ne pas se focaliser sur une valeur G ou autre objectif arbitraire en matière d équilibrage. Votre objectif doit toujours être de réaliser un usinage aussi performant que possible. Ceci implique donc de comparer les coûts engendrés par l équilibrage de l outil et les avantages que cet équilibrage peut apporter et d arriver à un bon équilibre entre les deux. 16
La pièce en aluminium sur la photo illustre l influence de l équilibrage de l outil sur l état de surface. Le porteoutil équilibrable utilisé pour usiner les deux moitiés de la face a été réglé selon deux valeurs non équilibrées, 100 g mm et 1.4 g-mm. L outil le mieux équilibré a engendré l état de surface le plus régulier. Les conditions d usinage étaient par ailleurs identiques pour les deux usinages : 12000 tr/min, avance 5486 mm/min, profondeur de coupe 3,5 mm et largeur de passe 19 mm en utilisant un porte-outil avec une masse combinée de 1.49 kg. 9549 x G u = m x (gmm) n F = u ( n ) 2 9549 (N) Le fait d équilibrer les outils à la classe G demandée, définie par l ISO 1940.1, peut conduire à générer des efforts dus au balourd bien inférieurs à ceux issus de la coupe elle-même. En fait, une fraise à rainurer tournant à 20000 tr/min n a pas besoin d être équilibrée à plus de 20 g mm et 5 g mm est généralement suffisant pour des vitesses beaucoup plus élevées. Le diagramme fait référence au balourd pour un outil et un adaptateur d un kilo. Le champ A indique l effort de coupe pour une fraise à rainurer monobloc de 10 mm de diamètre. F(N) 400 300 200 100 A 20gmm 5gmm La formule de calcul d équilibre comporte les éléments suivants : F : Force due au balourd (Newton) G : Valeur de classe G dont l unité est le mm/sec m : masse de l outil en kg n : vitesse de broche en tr/min u : balourd en g mm 0 20 000 40 000 n (rpm) ISO G6.3 ISO G2.5 Influence de la précision du système sur le balourd pour différents systèmes d attachements Erreur angulaire Erreur angulaire Coromant Capto C5 HSK 50 forme A Balourd Jusqu à 0.9 gmm Jusqu à 3.3 gmm Classe d équilibre Jusqu à G1.5 Jusqu à G5.6 TIR Jusqu à 3.5 m Jusqu à 13.4 m Erreur de parallèle Coromant Capto C5 HSK 50 forme A Balourd Jusqu à 2.6 gmm Jusqu à 9.6 gmm Classe d équilibre Jusqu à G4.4 Jusqu à G16.8 TIR Jusqu à 4.2 m Jusqu à 16 m Erreur de parallèle n = 20 000 tr/min, poids de l outil et de l adaptateur m = 1.2 kg 17
Sous fortes vitesses, la force centrifuge peut être suffisamment importante pour dilater légèrement l'alésage de la broche. Ceci a un effet négatif sur certains outils à bride en V qui ne sont en contact avec l alésage de la broche que sur le plan radial. La dilatation de la broche peut entraîner un déplacement de l outil en direction de la broche par l effort de traction constant du tirant. Ceci peut entraîner un grippage de l outil ou un manque de précision dimensionnelle dans l axe des Z. Les porte-outils cône-face conviennent mieux à l usinage grandes vitesses. Lorsque la broche commence à se dilater, le contact facial empêche l'outil de se déplacer dans l alésage. Les outils à manche creux sont également soumis à la force centrifuge mais sont conçus pour se dilater avec l alésage de la broche sous vitesses élevées. Le contact outil/broche à la fois dans le sens axial et radial résulte en un accouplement rigide autorisant un usinage agressif. Grâce à sa conception polygonale, l accouplement Coromant Capto offre des performances optimales en matière de couple élevé et de productivité. SURFACE DE CONTACT DE L INTERFACE BROCHE/CONE POUR DIVERSES ROTATIONS Vitesse de broche ISO40 HSK 50A Coromant Capto C5 0 100% 100% 100% 20000 100% 95% 100% 25000 37% 91% 99% 30000 31% 83% 95% 35000 26% 72% 91% 40000 26% 67% 84% Lorsqu on envisage de faire de l UGV, il faut s efforcer d utiliser une combinaison porte fraise/fraise qui soit symétrique. Il est possible d utiliser différents systèmes d attachement. Toutefois le frettage, qui consiste à chauffer le porte-outil de façon à dilater l alésage qui se resserre lors de son refroidissement et maintient ainsi l outil, est considéré comme étant une des méthodes les plus fiables pour l UGV. Tout d abord parce que le saut radial est réduit au minimum, ensuite du fait que l'accouplement peut transmettre un couple élevé ; il est par ailleurs aisé de construire des outils et des assemblés sur mesure et enfin, cette méthode confère à l assemblé une rigidité d ensemble élevée. L alternative au frettage est le système Coromant baptisé CoroGrip. Ce mandrin hydromécanique permet de transmettre un couple plus élevé que le frettage. INFLUENCE DE LA PRÉCISION DU SYSTEME SUR LE BALOURD POUR DIFFÉRENTS SYSTEMES D'ATTACHEMENTS Cône Weldon/ Mandrin à pince Mandrin Mandrin Serrage par Mandrin Whistle Notch DIN 6499 hydraulique hydraulique frettage hydromécanique HydroGrip CoroGrip Type Ebauche lourde Ebauche à Ebauche lourde Finition Ebauche lourde Ebauche lourde d'opération à semi-finition semi-finition à finition à finition à finition Couple de +++ ++ ++ + +++ +++ transmission Précision 0.01-0.02 0.01-0.03 0.003-0.010 0.003-0.008 0.003-0.006 0.003-0.006 TIR 4 x D [mm] Convient pour des + + ++ ++ +++ +++ vitesses élevées Maintenance Aucun Nettoyage et Nettoyage et Aucun Aucun Aucun remplacement remplacement des des pinces pièces détachées Possibilité Non Oui Oui Oui Non Oui d'utiliser des pinces 18
Surface de contact du cône Surface de la face de contact Cône extérieur Angle de cône nominal Angle de cône usiné D1 2 Surface de la face de contact De d Cône nominal D Cône intérieur L L i Longueur du cône L e Longueur du cône Le balourd et la concentricité sont des facteurs cruciaux pour le porte-outil. T p 2 Diamètre du cône zone de tolérance Tolérance de circularité Cône nominal min max 2 AT Zone de tolérance transversale de la circularité Angle de l interface du cône 19