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Mécatronique
PAULIAT - LAPOIRIE
ENSIL
Industrialisation de produits
Industrialisation de produits Mécatronique
Page 2
Sommaire
1 INTRODUCTION ................................................................................................................................................................................. 5
2 PROCESSUS D’INDUSTRIALISATION ............................................................................................................................................. 6
2.1 Besoin, produit, prix ..................................................................................................................................................................... 6
2.2 Développement du produit ........................................................................................................................................................... 6
2.3 Concevoir pour un cout de réalisation minimal ............................................................................................................................ 7
3 Choix d’un processus ............................................................................................................................................................................. 7
3.1 Situation idéale ............................................................................................................................................................................. 7
3.2 Situation actuelle .......................................................................................................................................................................... 7
4 Classement des procèdes ........................................................................................................................................................................ 8
4.1 Conservation de volume : fusion ou formage ............................................................................................................................... 8
4.2 Addition de volume ...................................................................................................................................................................... 9
4.3 Modification de la matière ........................................................................................................................................................... 9
4.4 Perte de volume .......................................................................................................................................................................... 10
5 RAPPEL DES PRINCIPES ................................................................................................................................................................. 10
5.1 Le laminage ................................................................................................................................................................................ 11
5.2 Tréfilage-étirage: ........................................................................................................................................................................ 11
5.3 Extrusion ou filage : ................................................................................................................................................................... 12
5.4 extrusion hydrostatique .............................................................................................................................................................. 12
5.5 Pliage : ....................................................................................................................................................................................... 12
5.6 Cintrage : .................................................................................................................................................................................... 12
5.7 Emboutissage : ........................................................................................................................................................................... 13
5.8 Fluotournage : ............................................................................................................................................................................ 14
5.9 Hydroformage : . ........................................................................................................................................................................ 14
5.10 Forgeage :................................................................................................................................................................................... 15
5.11 Estampage : ................................................................................................................................................................................ 15
5.12 Coulée continue :........................................................................................................................................................................ 15
5.13 Le MOULAGE .......................................................................................................................................................................... 16
Le moulage sable ou coquille : ............................................................................................................................................................. 16
. Le moulage sous-pression : ................................................................................................................................................................ 17
Les procédés de précision à modèle perdu : ......................................................................................................................................... 17
La centrifugation : ................................................................................................................................................................................ 18
5.14 Frettage : .................................................................................................................................................................................... 19
5.15 Dudgeonnage : ........................................................................................................................................................................... 19
5.16 Laser : ........................................................................................................................................................................................ 20
5.17 Soudage par friction : ................................................................................................................................................................. 21
5.18 frittage ........................................................................................................................................................................................ 21
5.19 Grenaillage : ............................................................................................................................................................................... 22
5.20 Galetage : ................................................................................................................................................................................... 22
5.21 Cémentation : ............................................................................................................................................................................. 22
5.22 Nitruration : ................................................................................................................................................................................ 22
5.23 Carbo-nitruration : ...................................................................................................................................................................... 23
5.24 Chromage : ................................................................................................................................................................................. 23
5.25 Phosphatation : ........................................................................................................................................................................... 23
5.26 Anodisation : .............................................................................................................................................................................. 23
5.27 le tournage .................................................................................................................................................................................. 24
5.28 le fraisage ................................................................................................................................................................................... 24
5.29 le brochage ................................................................................................................................................................................. 25
5.30 Rectification : ............................................................................................................................................................................. 26
5.31 Rodage : ..................................................................................................................................................................................... 26
5.32 Polissage : .................................................................................................................................................................................. 26
5.33 Jet d’eau : ................................................................................................................................................................................... 26
5.34 Ultrasons : .................................................................................................................................................................................. 27
5.35 Plasma ........................................................................................................................................................................................ 27
5.36 L’électroérosion ......................................................................................................................................................................... 28
6 Procèdes d’usinage : présentation ........................................................................................................................................................ 29
7 Mode de génération des surfaces .......................................................................................................................................................... 29
7.1 Surfaces élémentaires ................................................................................................................................................................. 29
Industrialisation de produits Mécatronique
Page 3
7.2 Principe de la génération de surfaces .......................................................................................................................................... 30
7.3 Travail de forme et travail d’enveloppe ...................................................................................................................................... 30
8 Les différents types de machines en fabrication ................................................................................................................................... 30
8.1 Les machines traditionnelles ...................................................................................................................................................... 30
8.1.1 Le tour traditionnel ............................................................................................................................................................. 30
8.1.2 La fraiseuse traditionnelle .................................................................................................................................................. 32
8.2 Les machines à commande numérique ....................................................................................................................................... 33
8.3 TERMINOLOGIE. : .................................................................................................................................................................. 33
8.3.1 Machine-outil à commande numérique MOCN : ................................................................................................................ 33
8.3.2 Centre d'usinage (CU) : ...................................................................................................................................................... 33
8.3.3 Machine autonome flexible : .............................................................................................................................................. 33
8.3.4 Cellule flexible : ................................................................................................................................................................. 33
8.3.5 Ligne transfert flexible : ..................................................................................................................................................... 34
8.3.6 Atelier flexible : ................................................................................................................................................................. 34
8.4 LES MOYENS DE FABRICATION ACTUELS ...................................................................................................................... 34
8.4.1 Sur fraiseuse CN 3 axes verticale, on peut réaliser : ........................................................................................................... 34
8.4.2 Opérations réalisables sur un centre de fraisage-alésage CN 4 axes horizontal : ................................................................ 35
8.4.3 Possibilités de réalisations sur Tour cn 2 axes monobroche. .............................................................................................. 35
8.4.4 Centre de tournage cn 3 axes. ............................................................................................................................................. 36
8.4.5 Centre d’usinage 5 axes. ..................................................................................................................................................... 37
8.4.6 Intérêt de l’usinage à 5 axes ............................................................................................................................................... 37
8.5 LES AXES DES MACHINES. .................................................................................................................................................. 37
8.6 Référentiel normalisé de la machine........................................................................................................................................... 37
8.6.1 Les axes .............................................................................................................................................................................. 37
8.6.2 LES AXES ADDITIONNELS ........................................................................................................................................... 40
8.7 Les matériaux à outil .................................................................................................................................................................. 41
8.7.1 ARS .................................................................................................................................................................................... 41
8.7.2 Carbure ............................................................................................................................................................................... 41
9 Les différents type d’outils ................................................................................................................................................................... 42
9.1 Les outils de tour en acier rapide (ars) ........................................................................................................................................ 42
9.2 Les outils de tour a plaquette carbure ......................................................................................................................................... 45
9.3 Les fraises en acier rapide (ars) .................................................................................................................................................. 46
9.4 Les fraises a plaquettes carbure .................................................................................................................................................. 47
9.5 Illustration .................................................................................................................................................................................. 47
10 Fraise à surfacer ................................................................................................................................................................................... 47
11 Surfaçage en bout ................................................................................................................................................................................. 47
12 Fraise à surfacer et à dresser ................................................................................................................................................................ 47
13 Surfaçages combinés à prédominance en bout ..................................................................................................................................... 47
14 Fraise à rainurer ................................................................................................................................................................................... 47
15 Rainurage de profil............................................................................................................................................................................... 47
16 Fraise 3 tailles à dentures alternées ...................................................................................................................................................... 47
17 Rainurage en bout ................................................................................................................................................................................ 47
17.1 Fraises pour usinages spécifiques ............................................................................................................................................... 47
17.2 Les différentes opérations en fraisage ........................................................................................................................................ 49
18 Les formes simples usinables et les outils associés .............................................................................................................................. 50
18.1 Tournage .................................................................................................................................................................................... 50
18.2 5.2 Fraisage ........................................................................................................................................................................... 51
19 52
20 ORGANISATION DES PROCESSUS D’USINAGE .......................................................................................................................... 53
20.1 Définitions.................................................................................................................................................................................. 53
20.2 Le dossier de fabrication. ........................................................................................................................................................... 53
21 Les porte-outils .................................................................................................................................................................................... 54
21.1 Liaison outil porte-outil en fraisage ............................................................................................................................................ 54
Industrialisation de produits Mécatronique
Page 4
21.2 Montage de plaquettes ........................................................................................................................ Erreur ! Signet non défini.
21.3 Montage des outils monoblocs ................................................................................................................................................... 54
21.4 Liaison porte-outil machine en fraisage...................................................................................................................................... 54
21.4.1 Le cône morse ; cône 5% ...................................................................................................... Erreur ! Signet non défini.
21.4.2 Cônes 7/24 ............................................................................................................................ Erreur ! Signet non défini.
21.5 attachement HSK ....................................................................................................................................................................... 54
21.5.1 HSK forme A ............................................................................................................................................................... 54
21.5.2 HSK forme B ........................................................................................................................ Erreur ! Signet non défini.
21.5.3 HSK forme C ........................................................................................................................ Erreur ! Signet non défini.
21.5.4 HSK forme E ........................................................................................................................ Erreur ! Signet non défini.
21.5.5 HSK forme F ........................................................................................................................ Erreur ! Signet non défini.
22 les porte-outils de tournage .................................................................................................................................................................. 55
22.1 Liaison outil / porte-outil ............................................................................................................................................................ 55
22.1.1 Présentation générale des normes existantes ................................................................................................................. 55
22.1.2 Liaison ISO-P ....................................................................................................................... Erreur ! Signet non défini.
22.1.3 Liaison ISO-M ...................................................................................................................... Erreur ! Signet non défini.
22.2 Porte outil VDI ................................................................................................................................... Erreur ! Signet non défini.
22.3 les porte-outils modulaires ................................................................................................................. Erreur ! Signet non défini.
22.3.1 modularité ............................................................................................................................ Erreur ! Signet non défini.
22.4 Liaisons utilisées pour les attachements modulaires ........................................................................... Erreur ! Signet non défini.
23 7Les paramètres de coupe .................................................................................................................................................................... 56
23.1 Principe ...................................................................................................................................................................................... 56
23.2 Analyse tournage, Fraisage ........................................................................................................................................................ 56
23.2.1 Vitesse de coupe ........................................................................................................................................................... 56
23.2.2 Détermination de la fréquence de rotation .................................................................................................................... 57
23.2.3 AVANCE ..................................................................................................................................................................... 57
23.3 Porte pièces ................................................................................................................................................................................ 59
23.3.1 Liaison pièce-machine : ................................................................................................................................................ 59
23.3.2 Fonction du porte-pièce : .............................................................................................................................................. 59
23.3.3 Typologie des porte-pièces : ......................................................................................................................................... 60
24 Modélisation de MOCN ....................................................................................................................................................................... 62
24.1 Cellule élémentaire d'usinage ..................................................................................................................................................... 62
1.1.1 Qi ....................................................................................................................................................................................... 62
1.1.2 Opp ..................................................................................................................................................................................... 62
1.1.3 Op ....................................................................................................................................................................................... 62
1.1.4 Om ..................................................................................................................................................................................... 62
1.1.5 R ......................................................................................................................................................................................... 62
1.1.6 P ......................................................................................................................................................................................... 62
1.1.7 OP1 .................................................................................................................................................................................... 62
24.2 Points caractéristiques ................................................................................................................................................................ 62
24.3 Equation vectorielle ................................................................................................................................................................... 65
24.4 Cas du tournage .......................................................................................................................................................................... 66
24.5 Cas du fraisage ........................................................................................................................................................................... 67
25 Constitution d'un axe numérique de MOCN ........................................................................................................................................ 67
25.1 Cas du tournage .......................................................................................................................................................................... 69
25.2 Cas du fraisage ........................................................................................................................................................................... 69
Industrialisation de produits Mécatronique
Page 5
1 INTRODUCTION
L’objectif de la phase 1 est de
traduire le besoin identifié par
l’entreprise en fonction de son
environnement en terme de produit.
Le résultat de cette phase est le
cahier des charges fonctionnel
(CDCF)
Il s’agit d’élargir au maximum le
champ d’investigation des concepts
pour répondre à la traduction du
besoin formulé dans le CDCF. Son
but est de proposer des concepts
directeurs validés en fonction de la
veille et de la stratégie de
l’entreprise. Elle a pour objectif
d’apporter des concepts nouveaux en
terme d’usages et de technologies.
Peut être réalisée sous forme de
séances de créativité ou d’outils
d’aide à l’innovation (TRIZ par
exemple)
Cette phase permet de concevoir le
produit à partir du CDCC. Il doit
aboutir à un produit qui servira de
base à la construction d’un prototype
reproductible industriellement. Le
CDDC fige le design, la technologie
employée ainsi que les performances
du produit. Cette étape permet de
valider le couple produit/process.
Il s’agit d’une étape intermédiaire
avant le lancement du produit. Elle a
pour objectif, dans une première
étape, de valider la conception
produit en construisant un prototype
reproductible industriellement, puis
dans une seconde étape de valider
l’interprétation du besoin exprimé et
ceci par un test auprès des
utilisateurs potentiels ;
Besoin
identifié
Traduction du besoin par
l’entreprise
Cahier des
charges fonctionnel
Définition du
produit
Concept directeur
validé
Cahier des
charges
concepteur
Définition du
produit
Dossier
produit
Validation du
produit
Prototype
PHASE 1 :
Traduction du besoin
Test
utilisateur
PHASE 2 : Interprétation du besoin
par recherche de
concepts
PHASE 3 :
Définition du produit
PHASE 4 :
Validation du produit
Industrialisation
Industrialisation de produits Mécatronique
Page 6
2 PROCESSUS D’INDUSTRIALISATION
2.1 Besoin, produit, prix
Pour une économie de marché dont l’offre est supérieure à la demande, le prix est
l’expression monétaire de la valeur que les partenaires de l’échange accordent au bien ou au
service cédé.
L’acheteur exprime un besoin, il est prêt à payer un produit ou un système capable d’y
répondre. Ce prix dépend autant de l’intensité du besoin que de la manière avec laquelle le
produit doit y satisfaire. Le prix du vendeur dépend des coûts mis en œuvre pour réaliser ce
produit, et du profit escompté.
Le produit n’est pas une fin en soi pour l’acheteur, mais le moyen de répondre à un besoin,
il jugera donc sa qualité par les satisfactions obtenues. Le produit doit coller au plus près du
service à rendre, la technologie mise en œuvre n’est plus jugée directement.
La nécessité de connaître les besoins auxquels les produits doivent répondre, conduit les
entreprises à définir leurs objectifs en fonction du marché visé plutôt qu’en fonction de la
technologie. Une entreprise doit se situer en fonction d’une orientation marché, elle ne se
juge plus par la maîtrise de technologies mais par son aptitude à répondre vite et bien à un
besoin donné.
Le besoin ne cessant d’évoluer, elle doit vérifier en permanence l’adéquation produit /
marché, l’attractivité de ses produits et doit tenir compte des évolutions des sociétés
modernes.
2.2 Développement du produit
Un produit se caractérise par un cycle de vie : pénétration sur le marché, période de maturité,
déclin. Ce cycle est de plus en plus court, une automobile à un cycle de 7 ans en Europe, un
aspirateur 2 ans, un téléphone portable, 1 an, un ordinateur 6 mois…
Plus le cycle de vie est long plus la prise de risque est importante car il faut anticiper les
réactions sur marché et les stratégies de la concurrence.
Après une phase d’analyse du besoin et de faisabilité, le BE passe à l’étude et à la définition
préliminaire du produit :
- technique : réponse à un besoin, à un marché ;
- qualité : degré de satisfaction ;
- coût de revient : compétitivité.
Tout cela permet d’écrire le cahier des charges fonctionnel sur lequel le BE s’appuie pour la
conception. Il doit faire des choix :
- matériaux et processus de mise en œuvre ;
- conditions fonctionnelles ;
- procédures de montage ;
- contraintes de stockage, de mise en œuvre, de maintenance.
La responsabilité du BE est grande car les décisions vont servir par la suite de référence aux
services méthodes, industrialisation, contrôle, etc… Il est donc important que les
informations circulent à la fois tôt et vite entre les différents services, qui sont appelés à
travailler simultanément. La conception de produits complexes comme l’automobile, fait
appel à des plateaux techniques qui regroupent des spécialistes de chacun des métiers
intervenant dans la conception / réalisation d’un ensemble.
Exemple : un moteur est conçu avec des motoristes mais aussi des spécialistes fonderie,
usinage, montage, etc… Ce type d’ensemble se caractérise par ses performances intrinsèques
Industrialisation de produits Mécatronique
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mais aussi par son processus de réalisation. Le plateau conçoit simultanément le moteur et
son moyen de fabrication.
2.3 Concevoir pour un cout de réalisation minimal
Des études montrent que 70% des coûts de réalisation étaient définis par les choix du bureau
d’étude.
Avec l’apparition de nouveaux processus de fabrication et les progrès permanents des
anciens, il est difficile pour un représentant du bureau d’étude de choisir seul le meilleur
(coût et performance) pour son application. Une erreur de conception affecte toutes les pièces
produites, détectée pendant la conception elle n’engage pas encore les moyens de fabrication,
par contre après industrialisation elle oblige à reprendre tout le processus.
3 Choix d’un processus
Il est nécessaire d’adapter les moyens de fabrication aux caractéristiques des pièces, dont les
principaux critères sont les suivants :
- nombre de pièces et cadences
- taille et masse de la pièce
- géométrie générale (cylindrique, prismatique…)
- type de surfaces (simple ou par contournage)
- précision dimensionnelle et géométrique demandée (4, 5, 6, 7, 8), état de surface
3.1 Situation idéale
Le procédé de fabrication idéal, aurait les caractéristiques suivantes :
- réalisation des pièces en une seule opération,
- mise en forme directe de la ou des matières choisies (pas de gaspillage)
- temps de réalisation très rapide
- coût minimal
- énergie minimale
- reconversion instantanée
MACHINEMatière
vierge
Pièce
finie
Caractéristiques
techniques
Energie
Contrôle
automatique
3.2 Situation actuelle
Cette machine ou ce procédé n’existe pas, pour réaliser une pièce il faut utiliser un processus,
qui comprend plusieurs procédés, avec des mises en forme successives de la matière. Il faut
donc choisir chacun d’entre eux, définir le trajet de la pièce pendant tout le processus au fur
et à mesure des opérations de transformation qui conduisent à la pièce finie.
Industrialisation de produits Mécatronique
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La difficulté réside dans l’optimisation du choix des procédés de transformation, et de
l’ordonnancement de toutes ces opérations. Le critère économique est primordial, il faut
consommer le minimum, passer le moins de temps (respect des délais), jeter le moins possible
(chutes, copeaux, pièces rebutées), le tout avec un stock minimal.
PROCESSUSMatière
vierge
Pièce avec valeur
ajoutée
Caractéristiques
techniques
Energie
Procédés de
transformation
Ordonancement
des opérations
Caractéristiques
géométriques
4 Classement des procèdes
Les procédés peuvent être classés selon de multiples critères : du type de forme, au coût
unitaire, en passant par l’impact sur l’environnement, etc… Avant de déterminer leurs
caractéristiques, il est bon de rappeler quels sont les procédés dont dispose aujourd’hui
l’industrie mécanique pour la réalisation de pièces. Le critère de classement est l’impact du
procédé sur le volume de matière ou sur la matière elle-même.
4.1 Conservation de volume : fusion ou formage
Conservation du volume
Energie mécanique
Déformation
Energie thermique
Fusion
Lente à chaud
Laminage Tréfilage
Lente à froid
Laminage Tréfilage
Extrusion
Pliage Cintrage
Emboutissage Fluotournage Hydroformage
Brutale à chaud
Forgeage
Emboutissage Estampage
Par gravité
Coulée continue Fonderie Moulage
Centri-fugation
Moulage Rotoformage
Sous pression
Moulage par injection
Industrialisation de produits Mécatronique
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4.2 Addition de volume
Addition du volume
Energie
mécanique Physico-chimie
Oxydation
Déformation Pression résiduelle
Pression Frottement
Agraffage Sertissage
Rivetage
Frettage Dudgeonnage
Transfert Diffusion
Soudage arc Oxyacétylénique
Laser
Friction Brasage
Soudage
Energie thermique
Fusion
Solidification
Boulonnage
Forces de liaison Polymérisation
Adhérence
Collage Moulage plast.
Force de liaison Fusion partielle
Frittage
4.3 Modification de la matière
Modification matière
Energie mécanique
Physico-chimie
Apport Recouvrement
Pression Ecrouissage
Peinture Vernis
Transfert Diffusion
Cémentation Nitruration Carbo-nitruration
Energie thermique
Elévation temp.
Modification structurale
Forces de liaison Conversion
Chromage Nickelage
Chrome dur Dépôts chimiques.
Force de liaison Réduction
Phosphatation
Anodisation
Grenaillage Sablage
Galetage
Recuit Trempe
Revenu
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4.4 Perte de volume
Perte du volume
Energie
mécanique Cisaillement
Physico-chimie
Oxydation
Coupe
Abrasion
Tournage Fraisage
Perçage
Rabotage Brochage
Cisaillage Poinçonnage Grignotage
Rectification Rodage
Meulage
Polissage Jet d ’eau Ultrasons
Dissolution anodique
Laser Plasma
Oxycoupage
Electro-érosion Polissage
Gravure
Energie thermique
Fusion
Oxydation Projection
Certains procédés d’enlèvement de matière sont caractérisés par un très mauvais
« rendement ». Il est caractérisé par le rapport de l’énergie consommée sur le volume de
matière transformée en copeaux. Voici quelques valeurs pour les plus courants : - tournage : 2 à 3 J/mm3
- Perçage au foret hélicoïdal : 3 à 6 J/mm3
- Fraisage : 3 à 6 J/mm3
- Rectification : 50 à 300 J/mm3
- Electroérosion : 700 à plusieurs milliers de J/mm3
- Usinage électrolytique : 300 à 3000 J/mm3
- Découpe au jet d’eau abrasif : plusieurs milliers de J/mm3
Tous ces procédés ne sont donc pas utilisables pour la réalisation de pièces en série, les plus
consommateurs d’énergie présentent l’intérêt de pouvoir travailler des matériaux très durs
(après traitements thermiques). Il est possible de tailler des matrices de moules dans des
aciers spéciaux avec très peu d’opérations (déplacement d’un modèle en graphite dans la
matière). Aujourd’hui ces applications disposent de peu de moyens autres que
l’électroérosion, seul le fraisage UGV semble capable de les concurrencer.
5 RAPPEL DES PRINCIPES
Industrialisation de produits Mécatronique
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5.1 Le laminage
Déformation entre deux
cylindres opposés d’un
lopin de métal, formes
profilées, la réduction de
section provoque un
allongement de la pièce.
5.2 Tréfilage-étirage:
Le tréfilage est la réduction de la section
d'un matériau métallique filaire par
traction mécanique.
Utilisé pour amincir une paroi ou calibrer
une pièce
Exemples : Baguettes de soudure, fil de fer.
Industrialisation de produits Mécatronique
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5.3 Extrusion ou filage :
Un effort de compression entre un poinçon et une matrice
pousse le métal d’un lopin qui s’écoule au travers de filières
qui donnent la forme de la pièce.
On obtient ainsi des profilés de grandes longueurs
5.4 extrusion hydrostatique
Le lopin de matière est poussé à travers la filière par un liquide sous pression.
En général ce liquide est de l’huile, car il sert alors de lubrifiant. Les
frottements sont supprimés, l’outillage est simplifié par le nombre de pièces
plus réduits, en contrepartie, l’étanchéité aux pressions de fonctionnement
(3.105 bars) est délicate à réaliser.
Les lopins à filer peuvent être longs car il n’y a pas de flambage, les rapports
de réduction peuvent être élevés.
5.5 Pliage :
Une ébauche (ou un flan), reposant sur deux
ou plusieurs points d’appui est pliée sous
l’action d’une force exercée sur un poinçon.
5.6 Cintrage :
Procédé de déformation de sections de forme
quelconque tubulaire.
Industrialisation de produits Mécatronique
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5.7 Emboutissage :
L’emboutissage est un procédé de formage par déformation plastique à chaud ou à froid des métaux. Il transforme une feuille de métal appelé flan en une surface généralement non développable (carters par exemple).
L’opération d’emboutissage est effectuée sur une presse au moyen d’un outillage dont la configuration la plus simple, appelée outil simple effet comprend deux pièces principales : la matrice et le poinçon. L’une est bridée sur la table fixe, l’autre sur le coulisseau animé d’un mouvement rectiligne alternatif.
Emboutissage d'une pièce de plancher automobile
Industrialisation de produits Mécatronique
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5.8 Fluotournage :
Un flan ou une ébauche de dimension adaptée
est plaqué dans un plan vertical, sur l’extrémité
d’un mandrin tournant dont l’axe est disposé
horizontalement.
Au cours de la rotation, le métal du flan est
écrasé contre les génératrices du mandrin grâce à
l’action de deux ou trois molettes.
5.9 Hydroformage : .
Deux vérins axiaux, viennent réaliser
l’étanchéité en appuyant sur les extrémités du
tube et un fluide sous pression est introduit dans
le tube.
La pression augmente et déforme le tube, aidée
par les vérins axiaux qui poussent la matière
vers l’intérieur.
On peut aussi réaliser des perçages, la pression
interne servant de matrice.
Industrialisation de produits Mécatronique
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5.10 Forgeage :
Déformation d’un matériau ductile, à l’aide
d’outils multiples.
La déformation n’est pas contrée par une
matrice.
5.11 Estampage :
Mise en forme par chocs ou pression d’un lopin
métallique intercalé entre les gravures (creux ou
relief) appelées matrices.
Lors de la mise en forme de matériaux non
ferreux l'opération s'appelle alors MATRICAGE
5.12 Coulée continue :
L'acier liquide est coulé dans une lingotière en
cuivre de section carrée, rectangulaire ou ronde
(selon le demi-produit fabriqué).
Le métal commence à former une peau solide
dans la lingotière violemment refroidie à l'eau.
tiré vers le bas par un jeu de rouleaux, il achève
de se solidifier.
A la base de l'installation, on extrait une barre
solide, carrée, rectangulaire ou ronde, qui est
découpée en tronçons de la longueur désirée
applelés brames, blooms, billettes.
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5.13 Le MOULAGE
Les différents procédés de fabrication
En fonction des formes, de la masse, de la précision dimensionnelle, de l’état de surface
recherché et des quantités à couler, il sera choisi parmi les procédés de moulage suivants.
Principales classes de procédés de moulage
Les formes extérieures proviennent de
la forme donnée à un moule en sable
Les formes en creux de la pièce sont
réalisées par des noyaux (formes pleines)
fabriqués avec des moyens spécifiques :
boîte à noyaux.
Après solidification de la pièce le
moule est détruit c’est le décochage, les
conduits d’alimentation sont séparés de
la pièce, ainsi que les bavures.
Le moulage sable ou coquille :
Après réalisation d’une empreinte en creux en deux parties de la pièce à obtenir, on coule
le métal porté à l’état liquide par simple gravité.
Après solidification de l’alliage, la pièce est extraite du moule puis débarrassée des
appendices nécessaires à la coulée.
L’empreinte (ou moule) peut être constitué :
- d’un matériau réfractaire, le plus souvent en sable. En fonction du type de liants
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utilisés (à froid ou thermodurcissants) et des moyens de production, on peut couler
des pièces de toutes quantités pouvant aller jusqu’à plus de 100 tonnes ;
- d’un moule métallique (Moulage en coquille) qui est utilisé pour des fabrications d’au
moins 5000 pièces avec des masses allant de quelques grammes à 300 kg.
. Le moulage sous-pression :
On force le métal liquide à s’introduire dans un moule métallique sous une forte pression
afin d’obtenir des pièces en très grande série de quelques grammes à plus de 50 kg épousant
l’empreinte gravée dans le moule.
le métal liquide est versé dans un conteneur métallique puis injecté dans l’empreinte sous des
pressions atteignant couramment 1 000 bars.
Les forces de fermeture atteignent aujourd’hui 45 000 kN. .
Les procédés de précision à modèle perdu :
Principe de réalisation
En cire, urée, polystyrène expansé. Le moule est en « céramique » ou en plâtre.
C’est un procédé de production en toutes séries de pièces de dimensions petites à moyennes
dont la masse va de quelques grammes à quelques dizaines de kilogrammes.
En plâtre, les alliages les plus usuels sont à base d’aluminium et à base de magnésium. Outre
l’obtention d’une grande précision dimensionnelle, les points forts de la fonderie de précision
à modèle perdu sont la réalisation de pièces de dessin pouvant être sophistiqué, à parois très
minces, en alliages difficilement ou non usinables.
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La précision dimensionnelle est très bonne à excellente. En moulage céramique on coule des
alliages légers et ultra légers (magnésium) ; des aciers, des superalliages à base nickel, cobalt,
zirconium ; le titane (également en moules de graphite usinés) ; des alliages cuivreux.
Principaux marchés : aéronautique, aérospatial, médical, militaire, nucléaire, têtes de
clubs de golf, turbines, fonderie d’art, etc.
Les avantages de ce procédé sont multiples : la qualité de la « peau » de la pièce est
remarquable. Quelles que soient les pièces creuses à réaliser, les opérations de noyautage
sont supprimées. Les plans de joint de moule sont également supprimés. Par conséquent, les
coûts d’ébarbage sont moindres (plus de portées de noyaux, plus de plan de joint).
De plus, la coulée et le refroidissement du métal s’opérant dans de meilleures conditions que
dans un moule classique, les pièces peuvent être réalisées avec moins de métal et ont note
par conséquent un allègement de celles-ci.
Le procédé autorisant une grande précision dimensionnelle, il est possible d’obtenir des trous
bruts de fonderie. Sur le plan du rendement, un tel procédé s’accommode fort bien
d’importances cadences de production.
De plus les chantiers « LOST FOAM » sont très flexibles. Dans la mesure où il n’y a pas
d’outillage à démonter et pas de noyaux à préparer, le changement de pièces est aisé. Defait,
il n’y a pas d’usure de l’outillage.
- En cire (ou urée) perdue : On coule une cire spéciale qui, en se solidifiant, prend la forme
exacte de la pièce à produire. Ensuite, le modèle ainsi réalisé en cire, après avoir été
éventuellement monté en grappe, est trempé à plusieurs reprises dans un bain pâteux
(barbotine) de matériaux réfractaires et de liants qui, en séchant, forme la
« carapace » autour du modèle en cire. L’ensemble est porté à une température supérieure à
100 °C : la cire fond et laisse alors une cavité dans laquelle sera coulé le métal en fusion.
Après refroidissement, le moule est détruit laissant apparaître une
pièce métallique identique, dans les moindres détails, au modèle initial.
- En polystyrène expansé emballé dans un sable sans liant (LOST FOAM, …).
Ce procédé de moulage implique la fabrication d’autant de modèles que de pièces à réaliser.
Les modèles sont obtenus par injection, dans un moule métallique, de granules de polystyrène
qui se soudent sous l’action de la vapeur.
Les différentes parties du modèle et les appendices de coulée sont collés de manière à former
des grappes recouvertes d’un enduit réfractaire, puis placés dans un bac dans lequel on verse
du sable sec sans liant qui est ensuite compacté par vibrations. Lors de la coulée, le front de
métal progresse en faisant évaporer le polystyrène et prend la place de celui-ci. .
La centrifugation :
La centrifugation, encore appelée coulée sous-pression centrifuge est une technique de coulée
basée sur les propriétés physiques de la force centrifuge. En faisant effectuer au moule en
sable ou à la coquille métallique une rotation autour d’un axe vertical ou horizontal, le métal
Industrialisation de produits Mécatronique
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acquiert les propriétés physiques supplémentaires suivantes par rapport à la coulée par
gravitation classique :
Ce procédé ne peut toutefois être appliqué que pour des pièces de formes simples telles que
galets de roulement, roues, tubes, cylindres de laminoirs, calandres, chemises de moteurs,
etc.
5.14 Frettage :
Consiste a effectuer un serrage mécanique d’une
frette montée à chaud.
Exemple pour le montage d’outils utilisés pour
l’usinage grande vitesse.
5.15 Dudgeonnage :
C’est une expansion des tubes de faisceau dans les plaques
tubulaires d’échangeurs ou de tubes dans diverses parois.
C’est une opération qui consiste à augmenter le diamètre du
tube dans un l’alésage d’une plaque tubulaire, de façon à
obtenir, après retour élastique de la plaque, une pression
d’interface entre le tube et l’alésage.
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5.16 Laser :
Les atomes sont constitués d'un noyau et d'un ou plusieurs électrons
qui gravitent sur des orbites stables.
Le principe du laser repose sur le phénomène de pompage par
excitation.
Ce pompage s'effectue par le passage d'un électron d'une orbite de
niveau d'énergie E1 à une autre orbite d'énergie supérieure E2 et se
fait par absorption d'une quantité d'énergie parfaitement définie.
Celle-ci peut provenir d'une excitation électrique, ou d'un flash
optique
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Page 21
5.17 Soudage par friction :
Cette technologie consiste à souder " dans la
masse " des produits de géométries et de
nuances différentes.
Avantages :
Pas de métal d'apport ni de gaz
Homogénéité de la soudure ZAT limitée.
Temps de cycle court
Reproductible
Automatisable et mise en place dans une
chaîne de production à haut rendement
Pas de déformation des pièces : conservation
des tolérances géométriques
Absence de fumées et de projections
5.18 frittage
La poudre de base est mélangée à des poudres
d'alliage et à un lubrifiant
Une presse comprime une petite quantité de
poudre de façon à donner une forme à la pièce.
La forme peut être partielle, mais de façon
générale, elle est finale. C'est d'ailleurs là un des
grands avantages de la métallurgie des poudres.
La pression exercée pour produire la pièce est
d'environ 30 tonnes par pouce carré.
Les comprimés sont ensuite disposés dans un
four à très haute température. On désigne cette
opération par frittage.
Le frittage consiste à chauffer les pièces à une
température légèrement inférieure à la
température de fusion du matériau principal afin
de créer des liens métallurgiques entre les
particules sans pour autant faire fondre le métal ni
déformer la pièce.
Industrialisation de produits Mécatronique
Page 22
5.19 Grenaillage :
Projection à grande vitesse de petites billes
appelées grenailles sur la pièce à traiter
L'utilisation de projectiles sphériques permet
d'assimiler l'opération de nettoyage à un
micromartelage.
Exemple : Aspect granité sur les pièces en
thermoplastiques
5.20 Galetage :
Le galetage consiste en un écrasement de surface, à froid, sous
la pression de galets traités (outils ou molettes de galetage). Les
outils entraînent la pièce à galeter en rotation.
Il permet d'augmenter la résistance à la fatigue des pièces de
construction soumises à des contraintes élevées
5.21 Cémentation :
Traitement le plus classique, il consiste en un apport de carbone dans la surface
de la pièce, suivi d’un durcissement par trempe.
Pendant le traitement, la pièce est maintenue en contact avec un corps, solide,
liquide ou gazeux, riche en carbone.
5.22 Nitruration :
C'est un durcissement superficiel obtenu par réaction de l'azote et de certains alliages ferreux (fer +
ammoniac, constitué d'hydrogène et d'azote, le tout chauffé à 550°C). L'azote en présence forme des
nitrures de fer, ce qui provoque une augmentation de dureté. L'acier traité doit contenir de l'aluminium car
celui-ci limite la pénétration des nitrures.
But : Obtenir une pièce résiliente à cœur et très dure en surface
Industrialisation de produits Mécatronique
Page 23
5.23 Carbo-nitruration :
Le procédé est un compromis entre la cémentation et la nitruration. Le durcissement provient surtout de
la carburation de la couche extérieure de la pièce. Le rôle de l'azote est surtout d'abaisser le point de
transformation. La température (Ac3) pour la trempe qui suit est moins élevée 700°C (donc moins de
déformations)
But : C'est un procédé de durcissement superficiel permettant au métal d'absorber du carbone et de l'azote
dans une atmosphère constituée de carbone et d'ammoniac
5.24 Chromage :
le chrome dur est un dépôt électrolytique susceptible d'être
utilisé brut de dépôt, rectifié ou poli, d'une épaisseur de quelques
microns ou millimètres.
5.25 Phosphatation :
La phosphatation est l'un des principaux traitements utilisés avant mise en peinture d'une
surface. Ce procédé permet d'obtenir une première barrière anticorrosion, mais aussi
l'obtention d'une "fine rugosité" qui facilite l'ancrage et augmente l'adhérence de la peinture.
Les substrats traitables sont l'acier, la fonte mais aussi le zinc et l'aluminium
Afin de conserver le lubrifiant, les pièces sont phosphatées, ce revêtement constitué par une
multitude de petits cristaux de phosphate accrochés fortement à la surface forme une couche
qui a un fort pouvoir d’absorption des corps gras.
Cette couche se déforme en même temps que la pièce et maintien les lubrifiants contre la
pièce.
5.26 Anodisation :
L'anodisation est un procédé électrochimique qui consiste en la croissance d'une couche
d'oxyde protecteur à la surface d'un métal.
Le métal le plus traité par ce procédé est l'aluminium. Le traitement de l'aluminium permet
d'obtenir suivant le process des couches poreuses, d'où des possibilités d'imprégnation
(revêtements lubrifiants) ou bien de coloration (propriétés décoratives) qui viennent en
complément des propriétés anticorrosion de la couche d'alumine formée.
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5.27 le tournage
Ce procédé permet d’obtenir des formes de révolution
extérieures ou intérieures, à l’aide d’outils
généralement à tranchant unique.
La pièce est animée d’un mouvement de rotation, l’outil
de déplace par rapport au bâti selon, en général, deux
translations, sa trajectoire déterminant le profil.
Axe de révolution
de la pièce
Déplacement
longitudinal de l’outil
Déplacement
transversal de l’outil
Outil
Pièce
5.28 le fraisage
Le fraisage est un procédé d’usinage de formes généralement prismatiques utilisant des outils
de coupe à dents multiples de forme circulaire appelés « fraises ».
La fraise est animée d’un mouvement circulaire uniforme. La pièce est positionnée sur une
table animée le plus souvent de mouvements dans les 3 directions de l’espace : les axes
(parfois la tête de la fraise est aussi en mouvement)
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Page 25
5.29 le brochage
Réalisation de rainures ou formes intérieures à l'aide d'une broche
Exemples : cannelures intérieures
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5.30 Rectification :
Permet l’obtention de pièces de
grande précision (qualité 4 à 6)
dimensionnelles et géométriques à
l'aide d'une meule.
La rectification peut se faire après
traitement thermiques. Il existe de la
rectification plane, cylindrique et
profil
5.31 Rodage :
Le rodage est le procédé d’usinage mécanique consistant à
effectuer une opération d’abrasion
C’est-à-dire d’enlèvement de matière, sur tous les types de
pièces métalliques ou non métalliques.
On utilise comme moyen mécanique d’abrasion différents
abrasifs tels que : diamant, oxyde d’alumine, oxyde de cérium,
carbure de silicium, carbure de bore, etc ...
5.32 Polissage :
Polissage pour l’amélioration d’un état de
surface contrairement au rodage pour
l’enlèvement de la matière.
Le polissage permet l’obtention d’une surface
polie miroir
5.33 Jet d’eau :
Le principe de base de cette technique qui puise son origine
dans les années 1960 initié par un certain Docteur Norman
Franz, consiste à projeter un filet d'eau à une vitesse très
élevée, comprise entre 600 et 900 m/s à travers une buse de
faible diamètre (0.05 à 0.5 mm).
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Page 27
5.34 Ultrasons :
ULTRA et SONS - les ultrasons utilisent les ondes sonores
haute fréquence pour l'assemblage de thermoplastiques.
Plus exactement, un équipement ultrasons transforme
l'énergie en vibrations créant une friction, d'où une élévation
de température dans la zone désirée afin de faire fondre la
matière et de produire ainsi une soudure.
5.35 Plasma
Le jet plasma (fluide de gaz argon/hydrogène
ou azote excité par un arc électrique) agit
thermiquement (15000 à 20000°C) pour fondre le
métal.
Ce jet plasma est généré par un arc électrique
qui s'établit entre une électrode, interne à la torche
et la pièce.
Le plasma est couramment décrit comme 4e état
de la matière (les trois premiers étant l'état solide,
liquide et gazeux).
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Page 28
Pour comprendre ce que cela signifie,
considérons la matière à l'état solide (un glaçon
par exemple). Si on le chauffe (c'est à dire qu'on
lui apporte de l'énergie), il devient liquide (2e état
de la matière), avant de finir par devenir gazeux
(3e état).
Et alors, si on apporte encore de l'énergie, les
atomes présents dans le gaz vont se ioniser, se «
dissocier » avec d'un côté les noyaux (protons et
neutrons), et d'un autre les électrons
5.36 L’électroérosion
Deux pièces métalliques plongées dans un liquide sont
raccordées à une source de courant que l'on peut
alternativement connecter et déconnecter.
Lorsque le courant est mis, une tension électrique est
appliquée entre les deux pièces métalliques et une étincelle se
crée. Là où elle frappe, le métal s'échauffe à tel point qu'il fond.
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L’usinage par enlèvement de copeaux
6 Procèdes d’usinage : présentation
Il existe de nombreux procédés d’usinage qui permettent d’obtenir des pièces finies assurant
des fonctions précises. Les plus connus sont le fraisage et le tournage, il en existe d’autres
tels que le perçage, le brochage, le mortaisage, le découpage, l’alésage, la rectification, etc...
Chacun de ces procédés est utilisé en fonction des formes ou des précisions dimensionnelles
qu’il permet d’obtenir. La réalisation d’une pièce peut faire appel à une succession de moyens
d’usinages.
Après conception par le bureau d’étude, le bureau des méthodes se charge de définir les
moyens d’usinage qui seront employés pour réaliser les pièces, en conformité avec le dessin
de définition. Les « méthodes » sont aussi chargées de la mise en place du contrôle des pièces
après réalisation.
7 Mode de génération des surfaces
7.1 Surfaces élémentaires
Cylindre
Plan
Surface de
révolution
Cône
hélice
sphère
Surface
quelconque
Tore
Toutes ces surfaces sont réalisables avec les procédés d’usinage actuels.
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Dessin de
définition
ExtractionSurfaces
élémentaires
- taille
- orientation
- qualité
- lien entre elles
Procédé d’usinage
Machine
Moyen de contrôle
7.2 Principe de la génération de surfaces
Tout procédé d’usinage met en œuvre un mouvement relatif entre une génératrice (G) et une
directrice (D).
Déplacement de
G le long de D
Génération d’une surface :
7.3 Travail de forme et travail d’enveloppe
G est une ligne (droite, cercle…) matérialisée
par l’arête de l’outil : travail de forme
G est une ligne matérialisée par les positions
successives du point générateur de l’outil : travail d’enveloppe
8 Les différents types de machines en fabrication
8.1 Les machines traditionnelles
8.1.1 Le tour traditionnel
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Cette machine sert principalement à usiner des pièces de révolution. La pièce est fixée dans le mandrin. Celui-ci est mis en rotation par le moteur de broche.
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8.1.2 La fraiseuse traditionnelle
Cette machine sert principalement à usiner des pièces prismatiques. La pièce est fixée dans l’étau. L’outil est mis en rotation par le moteur de broche.
Sur ces deux machines le déplacement de l’outil sur la trajectoire d’usinage est réalisé par un opérateur. Pour cela, il utilise les manivelles permettant de générer les mouvements suivant les axes. Les mouvements ne sont possibles que sur un
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seul axe à la fois. Des moteurs permettent aussi de choisir des vitesses d’avance suivant les axes de déplacements. Le choix de ces vitesses s’effectue par l’intermédiaire d’une boîte de vitesse mécanique.
8.2 Les machines à commande numérique
Le déplacement de l’outil sur la trajectoire d’usinage est décrit par l’opérateur à l’aide d’un programme. On utilise pour cela les coordonnées des différents points de passage de l’outil par rapport à la pièce. Les mouvements sont possibles sur plusieurs axes simultanément.
Les mouvements sur les axes sont générés par des moteurs qui permettent aussi de choisir des vitesses d’avance.
Tour à commande numérique Fraiseuse à commande numérique
8.3 TERMINOLOGIE. :
8.3.1 Machine-outil à commande numérique MOCN :
Machine-outil programmable équipée d'une commande numérique par calculateur (CNC).
Elle est dédiée à des fabrications variées de pièces différentes lancées en petits lots répétitifs.
8.3.2 Centre d'usinage (CU) : C'est une MOCN équipée d'équipements périphériques qui assurent :
• le changement automatique d'outils stockés dans les magasins d'outils,
• le changement automatique de pièces (palettisation),
• éventuellement le convoyage des copeaux (convoyeur).
Il est dédié à des fabrications variées de pièces différentes.
8.3.3 Machine autonome flexible : C'est un CU doté d'un carrousel de palettes pour le chargement et le déchargement des pièces,
de plusieurs magasins d'outils, de moyens d'autocontrôle, d'un système de détection des bris
et usures d'outils. Elle est dédiée à des fabrications variées de plusieurs familles de pièces.
8.3.4 Cellule flexible : Il s'agit d'un système formé de plusieurs CU (2 à 3) semblables ou non reliés entre eux par
un dispositif de transfert de pièces. Les fonctions de stockage, chargement et déchargement
des pièces brutes et finies sont aussi automatiques. Elle est dédiée à des opérations
spécifiques sur plusieurs familles de pièces.
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8.3.5 Ligne transfert flexible : Il s'agit d'un système formé de plusieurs MOCN, machines spéciales (à têtes interchangeables
automatiquement) agencées linéairement conformément au flux des produits (gamme de
fabrication). Elle est dédiée à une famille de pièces.
8.3.6 Atelier flexible : C'est un système formé de plusieurs MOCN ou cellules flexibles (de 5 à 15) associé à des
dispositifs de transfert de pièces (chargement, déchargement, stockage, contrôle) entièrement
automatisés et gérés par un ordinateur central. Il est dédié à l'usinage des pièces d'une même
famille.
8.4 LES MOYENS DE FABRICATION ACTUELS
8.4.1 Sur fraiseuse CN 3 axes verticale, on peut réaliser :
- Des plans perpendiculaires à l'axe de la broche (travail de face). - Des plans parallèles à l'axe de la broche (travail de profil). - Des plans obliques par rapport à l'axe de la broche (fraisage de forme). - Des cylindres parallèles à l'axe de la broche: - . alésages (outil à tranchant unique ou multiple). - . cylindres extérieurs (contournage). - Des profils complexes (contournage). - Des filetages dont l'axe est parallèle à l'axe de la broche. - L’accès aux faces latérales peut être limité en raison du porte-à-faux des outils: - pour le fraisage de profil. - pour le rainurage latéral.
Exemple de possibilité d'usinage sur fraiseuse CN 3 axes verticale.
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8.4.2 Opérations réalisables sur un centre de fraisage-alésage CN 4 axes horizontal :
- des plans perpendiculaires à l'axe de la broche (travail de face). - des plans parallèles à l'axe de la broche (travail de profil). - des plans obliques par rapport à l'axe de la broche (fraisage de forme). - des cylindres parallèles à l'axe de la broche:
o . alésages (outil à tranchant unique ou multiple). o . cylindres extérieurs (contournage).
- des profils complexes (contournage). - des filetages dont l'axe est parallèle à l'axe de la broche.
Ceci sur autant de «faces» que présente la pièce en utilisant la rotation de celle-ci autour de
l'axe de la palette B.
Exemple de possibilité d'usinage sur fraiseuse CN 4 axes horizontale.
8.4.3 Possibilités de réalisations sur Tour cn 2 axes monobroche. - Des cylindres, des cônes, des filetages, des portions de tores coaxiaux à l'axe de la broche. - Des plans qui leur sont perpendiculaires.
PIECE PRISE «EN L'AIR».
L'accès des outils est limité sur le cylindre extérieur en raison
des mors.
L'accès des outils est libre sur la face avant et sur le cylindre
intérieur.
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PIECE PRISE EN MONTAGE MIXTE OU ENTRE POINTES.
L'accès des outils est impossible à
l'intérieur.
L'accès des outils est limité sur le cylindre
extérieur en raison des mors
L'accès des outils est limité sur la face
avant.
8.4.4 Centre de tournage cn 3 axes.
Sur un centre de tournage CN 3 axes, on peut réaliser :
- Des cylindres, des cônes, des filetages, des portions de tores coaxiaux à l'axe de la broche
- Des plans qui leur sont perpendiculaires.
- Des alésages, des taraudages de faibles dimensions parallèles à l'axe de broche.
- Des rainures extérieures.
- Des alésages, des taraudages de faibles dimensions orthogonaux à l'axe de broche.
PIECE PRISE «EN L'AIR».
L'accès des outils est limité sur le cylindre extérieur en
raison des mors.
L'accès des outils est libre sur la face avant et sur le
cylindre intérieur.
PIECE PRISE EN MONTAGE MIXTE OU ENTRE POINTES.
L'accès des outils est impossible à l'intérieur.
L'accès des outils est limité sur le cylindre
extérieur en raison des mors.
L'accès des outils est limité sur la face avant.
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Page 37
8.4.5 Centre d’usinage 5 axes.
8.4.6 Intérêt de l’usinage à 5 axes
Fondamentalement, ’usinage à 5 axes continus permet d’orienter l’axe de l’outil par rapport à la pièce de
manière continue au cours de l’usinage. Ceci apporte alors cinq possibilités par rapport à l’usinage 3 axes qui
peuvent se concrétiser par des gains importants :
Élimination des collisions,
Optimisation du taux de couvrement de l’outil avec l’utilisation d’outils toriques ;
Gestion de la vitesse de coupe ;
Prise de pièce ;
Usinage par le flanc de l’outil.
Figure 1 : Exemple de machine à 5 axes
8.5 LES AXES DES MACHINES.
8.6 Référentiel normalisé de la machine
8.6.1 Les axes Extrait de la norme NF ISO 841(Remplace AFNOR NF Z 68-020) : La présente norme a pour
objet de définir une nomenclature des axes et mouvements pour machines à commande numérique
en vue de faciliter l'interchangeabilité des données de programmation.
Définitions :
Axe : Direction suivant laquelle le mouvement est commandé numériquement en continu
en vitesse et en position.
Trièdre de référence : Le système de coordonnées (X,Y,Z) est un système cartésien
de sens direct lié à une pièce placée sur la machine. On peut le définir par la règle des trois
doigts de la main droite
Sur les MOCN on considère que le trièdre direct de référence est lié à la pièce fixe et que
l’outil possède tous les degrés de liberté, or ce sont parfois les tables des machines qui sont
en mouvement et qui assurent l’obtention de la surface usinée.
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Situation du trièdre de référence par rapport à la machine :
l'axe Z il est situé parallèlement à l'axe de la broche principale quelque soit la
machine ou perpendiculaire à la table pour les machines qui ne possèdent pas
de broche.
l'axe X est associé au mouvement qui défini le plus grand déplacement après
avoir situé l'axe Z.
l'axe Y il forme avec les axes X et Z un trièdre de sens direct.
Le sens positif (+) : mouvement de chariot provoque l'éloignement de
l'outil par rapport à la pièce considérée comme fixe.
A, B et C désignent les mouvements de rotation effectués
respectivement autour d’axes parallèles à X, Y et Z
Les sens positifs de A, B et C sont inversés par rapport au sens
trigonométrique. L’observation étant faite en direction du sens
positif de l’axe linéaire correspondant.
Ces mouvements de la pièce sont repérés par le
symbole “prime” ‘ ajouté à la lettre
correspondante du trièdre de référence et se
trouvent par conséquent en sens inverse.
Exemple :
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8.6.2 LES AXES ADDITIONNELS
Afin d’augmenter les capacités opérationnelles des machines, certaines d’entre-elles possèdent des axes en
plus des axes principaux
Exemple : tour à 2 tourelles indépendantes +
rotation de la broche numérisée
Le repérage de ces axes est normalisé : (NF Z 68-020)
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8.7 Les matériaux à outil
8.7.1 ARS ARS = acier rapide supérieur
Les outils en ARS sont constitués le plus souvent d’un barreau monobloc en acier rapide supérieur, l’arête de coupe est affûtée.
Foret ARS Fraise 2 tailles ARS Fraise 3 tailles ARS
8.7.2 Carbure Pour améliorer les performances des outils, l’arête de coupe est placée sur une plaquette amovible en carbure. Ce matériau est très résistant par rapport à ARS. La plaquette carbure est obtenue en compressant différentes poudres de carbure. Dès que l’arête de coupe est usée, il suffit de changer la plaquette.
Fraise 2 tailles (Carbure) Outil d’ébauche (Carbure)
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9 Les différents type d’outils Les outils permettent d’enlever le copeau. La géométrie de l’outil influe directement sur les formes usinables sur la pièce. Ceci vous sera présenté plus loin. Tout d’abord, on va s’attarder sur les outils eux-mêmes.
9.1 Les outils de tour en acier rapide (ars)
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Page 45
9.2 Les outils de tour a plaquette carbure
Industrialisation de produits Mécatronique
Page 46
9.3 Les fraises en acier rapide (ars)
Photo Type Utilisation Illustration
Fraise 1 taille
A surfacer
Surfaçage en
roulant ou de
profil
Fraise cloche ou
tourteau
Surfaçage en bout
ou de face
Fraise 2 tailles à
queue conique
Surfaçages
combinés à
prédominance en
roulant
Surfaçage en
roulant
Fraise 2 tailles à
alésages et à
entraînement par
tenon
Surfaçages
combinés à
prédominance en
bout
Restrictivement :
-surfaçage en bout
(a)
- surfaçage en
roulant (b)
Fraise 2 tailles à
queue cylindrique
Rainurage de
profil peu précis
Fraise à rainurer
deux lèvres à
coupe centrale
Rainurage de
profil en pleine
matière
Exemple : rainure
de clavetage
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Fraise 3 tailles à
dentures alternées
Rainurage en bout
Qualité usuelle
obtenue 9
Fraise 3 tailles
extensible à
denture alternées
Rainurage en bout
qualité usuelle
obtenue : 7-8
9.4 Les fraises a plaquettes carbure
Photo Type Utilisation 9.5 Illustration
10 Fraise à surfacer
11 Surfaçage en bout
12 Fraise à surfacer et à dresser
13 Surfaçages combinés à prédominance en bout
14 Fraise à rainurer
15 Rainurage de profil
16 Fraise 3 tailles à dentures alternées
17 Rainurage en bout
17.1 Fraises pour usinages spécifiques
Industrialisation de produits Mécatronique
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Industrialisation de produits Mécatronique
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17.2 Les différentes opérations en fraisage
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18 Les formes simples usinables et les outils associés Le déplacement de l’outil suivant les axes définis précédemment permet de générer des formes usinées.
Voici une liste des principales formes que vous allez rencontrer pendant les TP. On trouve aussi le vocabulaire technique qui est associé à ces usinages.
18.1 Tournage
Dessin Opération Outils utilisés
Dressage
C’est la réalisation d’un plan perpendiculaire à l’axe de la pièce. (surface rouge)
Chariotage
C’est la réalisation d’un cylindre ayant le même axe que celui de la pièce. (surface grise)
Plan épaulé
C’est l’association d’un dressage et d’un chariotage. (surface verte)
Perçage
C’est un trou dans la pièce. Il peut être débouchant ou borgne. Attention en tournage, l’axe du trou est confondu avec l’axe de la pièce.
Outil à charioter
coudé
Outil à charioter
droit
Outil à
dresser les
angles
Foret à centrer Foret Alésoir
Outil à aléser
Outil
couteau
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Dessin Opération Outils utilisés
Les gorges
C’est l’association de 2 plans parallèles avec un cylindre (surface vertes)
Quelconque
C’est l’association de plusieurs surfaces élémentaires : sphère, cylindre, plan, cône …
18.2 5.2 Fraisage
Dessin Opération
Surfaçage
Le surfaçage c’est l’usinage d’un plan par une fraise. (surface rouge)
Fraise à surfacer
Plans épaulés
C’est l’association de 2 plans perpendiculaires (surfaces vertes)
Fraise de tailles
Rainure
C’est l’association de 3 plans. Le fond est perpendiculaire au deux autres plans. (surfaces vertes)
Outil à saigner outil à tronçonner
Fraise 2
tailles
Fraise 3
tailles
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Dessin Opération
Poche
La poche est délimitée par des surfaces verticales quelconque (cylindre et plan). C’est une forme creuse dans la pièce. (surface cyan)
Fraise 2 tailles
Perçage
Ce sont des trous. Ils sont débouchant (surface bleu) ou borgnes (surface jaune).
19
Foret
Alésoir
Fraise 2 tailles
(pour le
plastique)
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20 ORGANISATION DES PROCESSUS D’USINAGE
20.1 Définitions
PROCESSUS D'USINAGE (GAMME D’USINAGE°): Ensemble ordonné des phases,
opérations, tâches qui conduit à la réalisation d'un produit.
PHASE : Ensemble des opérations réalisées sur un même poste de travail.
OPERATION D'USINAGE: Intervention d'un outil sur la pièce.
Exemple de gamme d’usinage
20.2 Le dossier de fabrication.
Dans une entreprise compétitive, une mise en fabrication ne peut commencer que si
l'organisation du processus garantit la production avec un taux de rebut voisin de zéro (zéro
défaut). Plus les pièces ont un degré de complexité élevé et une valeur ajoutée conséquents,
plus l'élaboration du processus doit être approfondie.
Le préparateur-méthodes, charnière entre le concepteur et l'atelier, fournit aux opérateurs et
aux régleurs un dossier de fabrication complet, sûr et sans ambiguïté, validé par des
expérimentations ou des simulations préventives.
Le dossier de fabrication comprend : Le dessin de définition du produit. Les données économiques. Le dessin du brut. Les gammes d’usinage (ordonnancement des phases). Les contrats de phases. La définition des équipements. Les listings de programmation des machines. Les fiches de réglage. Les fiches de suivi et de contrôle.
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21 Les porte-outils
21.1 Liaison outil porte-outil en fraisage
Le porte-outil doit assurer deux liaisons :
- la liaison outil porte-outil
- la liaison porte-outil machine
Elle dépend essentiellement du type d’outil :
- plaquette carbure ou céramique rapportée
- outil monobloc
21.2 Montage des outils monoblocs
Les fraises à queue cylindrique de diamètre allant jusqu’à 20 mm sont montées avec des
mandrins à pinces. L’effort de serrage est créé par déplacement d’une pince conique
21.3 Liaison porte-outil machine en fraisage
Il existe plusieurs standards :
21.4 attachement HSK
Cette norme récente est conçue plus particulièrement pour des outils utilisé à plus grande
vitesse de rotation avec des efforts de coupe plus importants. C’est un montage plus rigide,
la conicité est plus faible.
Il existe plusieurs formes d’attachement en fonction de l’application.
21.4.1 HSK forme A
Cet attachement est doté :
- d’une collerette en V avec encoche d’indexage ;
- d’un logement de puce pour la gestion informatique embarquée des outils ;
- lubrification possible au centre ;
Pinc
e
écro
u
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22 les porte-outils de tournage
22.1 Liaison outil / porte-outil
Certaines liaisons sont normalisées, le choix est réalisé à partir des facteurs suivants :
- précision et fidélité du positionnement de la plaquette ;
- efficacité du serrage et fiabilité en conditions d’usinage sévères ;
- bonne évacuation des copeaux
- rapidité de montage de la plaquette, accessibilité des éléments de serrage
- réversibilité des plaquettes et leur standardisation
22.1.1 Présentation générale des normes existantes Serrage
normalisé
C
M
P
S
Ebauche ext.
Finition ext.
Ebauche int.
Finition int.
Copiage eb.
Copiage fini.
déconseillé
recommandé
éventuel
recommandé
déconseillé
déconseillé
recommandé
recommandé
recommandé
recommandé
éventuel
recommandé
recommandé
recommandé
recommandé
recommandé
recommandé
recommandé
recommandé
recommandé
recommandé
recommandé
recommandé
recommandé
Car
acté
rist
iques
Construction
simple Peu de pièces Le corps de l’outil
peut être de petite
dimension Bonne précision de
mise en place Efforts de coupe
faibles Accessibilité et
rapidité moyenne
de chgt de plaquette
Construction simple Indexage rapide et
simple Bonne accessibilité Précision de mise en
place moyenne Très bon maintien des
plaquettes sous des
efforts de coupe
importants et en coupe
interrompue
Construction simple Partie supérieure
dégagée donnant une
bonne évacuation
des copeaux Bonne stabilité Très bonne précision
de mise en place Accessibilité très
bonne Très grand domaine
d’utilisation
Construction simple Partie supérieure
dégagée donnant une
bonne évacuation
des copeaux Temps de chgt de
plaquette moyen Bonne accessibilité Grand domaine
d’utilisatio
Type
de
pla
quet
tes
Porte
outil
Base négative
- réversible - non réversible - avec ou sans brise
copeaux
- coupe positive ou
négative
Base négative
- réversible - non réversible - avec ou sans brise
copeaux préformé
- coupe positive ou
négative
Base négative
- réversible - non réversible - avec ou sans brise
copeaux préformé
Base négative
- réversible - non réversible - avec ou sans brise
copeaux préformé
- toutes formes
Porte
outil
Base positive ou
nulle
- non réversible
Base positive ou
nulle
- non réversible - avec ou sans brise
copeaux
Form
e
T, S, K, L T, S, D Toutes formes Toutes formes
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Page 56
7Les paramètres de coupe
22.3 Principe
Une lame d’outil pénètre dans la matière et enlève un copeau.
L’outil suit une trajectoire par rapport à la pièce à usiner. Ces mouvements sont assurés par les éléments constitutifs de la machine outil.
Pour obtenir un travail satisfaisant (bon état de la surface usinée, rapidité de l’usinage, usure modérée de l’outil, ...) on doit régler les paramètres de la coupe.
22.4 Analyse tournage, Fraisage
Il y a plusieurs critères qui permettent de définir les paramètres de la coupe, notamment :
22.4.1 Vitesse de coupe C'est l'espace parcouru en mètres par l'extrémité d'une dent de la fraise en une minute. Si d est le diamètre de la fraise et n le nombre de tours par minute, on a :
Vc = Π x d x n
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- d : espace parcouru en mètres pour un tour - n : fréquence de rotation en tours par minutes
La vitesse de coupe a une influence capitale sur la durée de vie des outils. Elle varie notamment avec la matière à usiner, le matériau de l'outil, la nature de l'opération (ébauche ou finition), les conditions de lubrification (travail à sec ou lubrifié).
22.4.2 Détermination de la fréquence de rotation
La vitesse de coupe Vc étant donnée par des tableaux, il convient de déterminer la fréquence de rotation N.
N = 1000 VC
d
- Vc vitesse de coupe en mètres par minute - d : diamètre de la fraise en millimètres, ou de la pièce pour le tournage.
22.4.3 AVANCE L'avance s'exprime par le déplacement de la pièce en millimètres pour : Une dent, c'est l'avance par dent fz.
Un tour, c'est l'avance par tour f Une minute, c'est l'avance par, minute Vf.
Vf = fz . Z . N Z = nombre de dents de la fraise Lorsque l'on a calculé l'avance qui est exprimé en mm/mn, il est facile de déterminer le temps d'usinage.
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Page 58
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Page 59
22.5 Porte pièces
22.5.1 Liaison pièce-machine :
L’usinage d’une pièce mécanique sur une machine-outil nécessite la réalisation d’une
liaison pièce/machine par l’intermédiaire d’un appareillage qui joue le rôle d’interface
d’adaptation entre les surfaces de la pièce et les surfaces de la machine (la liaison n’est
que très rarement réalisée directement entre la pièce et la machine).
22.5.2 Fonction du porte-pièce : Un porte-pièce pour satisfaire l’usinage d’un lot de pièces doit satisfaire 2 fonctions techniques : Fonction de mise en position
Fonction de maintien en position
EXEMPLE DE SYSTEME DE BRIDAGE :
Bride droite
Pour un serrage plus efficace : X1 < X2
Bloc-bride
Crampon plaqueur
Bride à excentrique
Sauterelles
Mini-clamp
X
1 X
2
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EXEMPLE de porte pièce modulaire
22.5.3 Typologie des porte-pièces :
Les porte-pièces sont regroupés dans deux familles principales. Le choix se fait en fonction des critères
suivants :
o La morphologie de la pièce o La quantité de pièces à fabriquer o Le type de production (série renouvelable, production unique,…)
22.5.3.1 Les porte-pièces standards :
Ces porte-pièces font partie de l’équipement
classique des machines outils et sont d’un coût réduit.
Leur conception doit permettre de mettre et de
maintenir en position un grand nombre de pièces
généralement de forme parallélépipédiques ou
cylindriques.
o pour une fraiseuse ou une perceuse :
Un étau ou un montage sur table o pour un tour :
Un mandrin et une contre-pointe
Eta
u
Montage sur
table
Mandrin
Contre-
pointe
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22.5.3.2 Porte-pièces dédiés (spécifiques):
Ils sont construits spécifiquement pour une pièce et une phase
d’usinage donnée. En fonction de leur mode de fabrication,
on distingue deux types de porte-pièces :
o Porte-pièces fabriqués o Porte-pièces
modulaires
Fabriqué Modulaire
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Page 62
23 Modélisation de MOCN
23.1 Cellule élémentaire d'usinage
Hypothèses:
- pas de déformation des organes constituants la machine
- liaisons entre les organes parfaites
23.2 Points caractéristiques
Ces points sont:
- soit des positions particulières des mobiles de la chaîne cinématique de la machine
- soit des points physiques associés à des interfaces entre solides
OM: origine machine
Cette origine est caractérisée par un repère fixe sur chacun des axes de la machine. Propre à
chaque machine et liée à sa construction, elle n'intéresse pas directement l'utilisateur.
Om: origine mesure
La procédure de prise d'origine machine (POM) permet à la machine de localiser
automatiquement et simultanément cette origine par rapport à l' OM par des paramètres
internes. Elle correspond généralement à un point bien précis de la machine: x,y au fond à
droite de la table et z à la hauteur du point de changement d'outil par exemple sur un centre
d'usinage.
Porte-outil
Machine outil
PIECE
Porte-pièce
O
uti
l
1.1.1
1.1.2
1.1.3
O
M
1.1.41.1.5
1.1.6
1.1.7OP
DEC1
Prefs
Jauge
Outil
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Page 63
Op: origine pièce
Le problème de l' OM est qu'elle est fixe et qu'il n'est pas commode de décrire des trajectoires
d'outils dans son repère.
L'origine pièce permet ainsi de localiser la pièce dans le repère de mesure.
Cette origine est généralement située au point représentant la mise en position de la pièce
sur le porte-pièce.
En fraisage, elle se situe à l'intersection des 3 plans orthogonaux définissant la mise en
position.
OP: origine programme
Il n'est pas toujours facile de décrire les trajectoires de l'outil par rapport à l'origine pièce. Le
programmeur définit alors une ou plusieurs origine programme.
Elle(s) se situe(nt) en général au départ des cotations du dessin de définition.
Opp: origine porte-pièce
Lors de changement fréquent de porte-pièce sur une machine (changement de série par
exemple), il est parfois intéressant de définir physiquement une origine sur la machine pour
permettre la mise en position rapide du nouveau porte-pièce (concept SMED). Cette origine
sera alors matérialisée par une butée ou un alésage sur la broche (tournage) ou sur la table
(fraisage) et par une autre butée ou un pion sur le porte-pièce.
R: référence outil
Ce point est situé à l'interface entre le porte-outil et la machine. Suivant la machine, la forme
de la liaison n'est pas la même: sur un plan de jauge sur un cône ISO en fraisage, sur la face
d'appui des porte-outil VDI en tournage.
Op
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Page 64
P: point piloté de l'outil
C'est le point caractéristique de l'outil. Ses coordonnées sont déterminées par rapport à R.
Qi: point générateur
C'est le point qui appartient à la géométrie de la surface usinée.
C: centre du rayon de bec
Centre de la plaquette en tournage ou du rayon de bout en fraisage.
1.1. Vecteurs caractéristiques
A partir des couples de points appartenant au même solide, on définit des vecteurs:
OmOpp caractérise la machine
OppOp caractérise le porte-pièce
OpOP caractérise la pièce
OPQi caractérise le programme
C
P
Qi
Prefs
DEC 1
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Page 65
QiC caractérise le rayon de la plaquette ou de la fraise
CP caractérise la configuration de l'outil en
tournage ou le type d'outil en fraisage
PR caractérise l'outil
OmR caractérise le déplacement des éléments mobiles de la machine
23.3 Equation vectorielle
Le directeur de commande numérique DCN effectue en temps réel le calcul de la position à
atteindre ( les composantes du vecteur OmR suivant les axes de la machine) à partir de
l'équation vectorielle bouclée.
La relation de Chasles appliquée au vecteur OmR donne:
OmR = OmOpp + OppOp + OpOP + OPQi + QiC +CP + PR
Jauges
CRONP
(Correction de Rayon d'Outil Normale au Profil)
Pre
fs
Jauges
porte-
pièce
Dessi
n de
déf.
Prog
.nc CRO
NP
Ou
til
Jau
ge
out
il
DEC
1
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Page 66
23.4 Cas du tournage
Industrialisation de produits Mécatronique
Page 67
23.5 Cas du fraisage
24 Constitution d'un axe numérique de MOCN
mobile
point
courant
R
X
butée
mécanique
butée
mécaniq
ue
butée
électriq
ue
butée
électriqu
e
butée
"PO
M"
O
P
O
p
O
m O
M
butée
"SOFT"
butée
"SOF
T"
paramètre P16
paramètre
P17
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Page 68
Butée mécanique ("hard"): elle est matérialisée par un contacteur électrique (butée
électrique) et est placée à chaque extrémité de chaque axe dans le but de faire disjoncter la
machine si le coulisseau venait à atteindre l'une d'elles.
Ce genre d'arrêt étant une sécurité, le redémarrage de la machine ne peut se faire qu'après
un dégagement manuel de la butée soit par une procédure spécifique de "forçage de
puissance" soit par rotation manuelle de la vis mère. Dans le cas où cette situation devait
intervenir, appeler l'enseignant.
Butée "POM" : l'exécution d'un programme CN passe par la connaissance par la machine
de la position du point courant R par rapport à l'origine mesure Om (décalée ensuite sur
l'origine pièce Op et sur l'origine programme OP respectivement par les vecteurs Prefs et
Dec1). L'utilisation dans la majorité des cas de capteurs de position optiques de type
incrémental ne permet la mesure que de déplacements relatifs. La procédure de prise d'origine
machine (POM) permet, en plaçant le point courant en une position particulière et répétable
de l'axe, d'initialiser la position physique de l'origine machine OM. Pratiquement, elle se fait
en faisant accoster le mobile sur la butée "POM". La machine sait alors que le point courant
est à une distance précise de l'origine mesure Om (distance contenue dans le paramètre
interne P16 qui n'intéresse pas directement l'utilisateur).
Butées programmées ("soft") : la procédure de prise d'origine machine (POM) permet
également à la machine de mettre en place à des distance précises de l'origine mesure Om
(distances contenues dans le paramètre P17) des butées virtuelles qui ont pour but d'empêcher
tout déplacement manuel ou programmé au delà de celle-ci afin d'éviter tout accostage sur
les butées mécaniques.
Industrialisation de produits Mécatronique
Page 69
24.1 Cas du tournage
24.2 Cas du fraisage
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