Approche de l’usinage haute précision avec des moyens de production standard

Richard CHATAIN ENSAM Cluny – richard.chatain@ensam.eu

Vincent MOREAU CTDEC – v.moreau@ctdec.com

INTERCUT 2011 – 5 & 6 octobre 2011 – Cluses

2 / 27 – INTERCUT 2011

Plan

1- Application : accélérateur CLIC du CERN 2- Origine des défauts en usinage haute précision 3- Machine 4- Outils 5- Montage d’usinage 6- CFAO 7- Contrôle 8- Conclusions

Partenariat : CERN, CTDEC, Arts et Métiers ParisTech CLUNY

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1- Application : accélérateur CLIC du CERN

Le CLIC : CERN LInear Collider Prochaine génération d'accélérateurs : le CLIC est un accélérateur linéaire

prévu pour les années 2020 Collisionneur électron / positron de 48 km de long

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1- Application : accélérateur CLIC du CERN

Le CLIC : CERN LInear Collider Un faisceau à accélérer, un autre faisceau qui l’accélère Exigences géométriques extrêmes : Alignement à 10 microns sur 100 m dans le tunnel Stabilité nanométrique des faisceaux !

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1- Application : accélérateur CLIC du CERN

Un composant clé : la structure accélératrice Succession de cavités résonantes radiofréquence Constituée soit de quadrants, soit de disques

Structure accélératrice

Design alternatif en disques

PETS

Il en faudra plusieurs centaines de milliers

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2- Origine défauts en usinage haute précision

Liste non exhaustive des origines des principaux défauts

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3- Machine

Choix de la machine - besoins Centre d’usinage 3 axes de finition Précision élevée Architecture ouverte pour travaux de R&D Recherche du meilleur rapport précision / prix

Machine MPX Plateforme multi procédés (électroérosion, fraisage,

gravage, laser,…) Bâti en H symétrique Entrainement par vis à billes Guidage par glissières à billes haute précision Caractéristiques particulières :

Courses : X:200mm, Y:180mm, Z:100mm Règles optiques sur chacun des axes Broche 60 000 tr/min – 370W

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3- Machine

Test machine Broche de grande précision (dilatation et concentricité)

Architecture ouverte faible inertie thermique, développement de nouveaux systèmes facilité

Défauts compensables :

Défaut de perpendicularité : 10µm / 40mm Défaut de rectitude : 1.1µm / 40mm

Bonne répétabilité : 1.1µm

Bonne précision dynamique

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3- Machine

Thermique de l’environnement Installation dans un local dédié avec aspiration et

climatisation Influence de la position de la sonde de climatisation

Position 1 : régulation à ±2.5°C Position 2 : régulation à ±0.9°C

Thermique de l’usinage Thermique de la coupe : peu présente car faibles

passes Thermique de l’huile de coupe

Débit normal : +7°C Débit faible : +11°C

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4- Outils

En usinage de haute précision, il est impératif de maîtriser la flexion outils car elle influence directement la précision d’usinage. Plusieurs paramètres l’influencent : Maîtrise de l’acuité d’arête (ou préparation d’arête)

L’acuité d’arête est un des paramètres qui a le plus d’importance sur la flexion d’outils Il faut donc surveiller la constance des formes et dimensions des préparations d’arête.

Maîtrise de la section copeau dégradée par le faux-rond d’outil Exemple : fraise Ø3R1.5, ap 80µm, ae 80µm, fz 10µm hmax = 1.7µm

Du même ordre de grandeur que le faux-rond d’outil ! Selon les conditions de coupe, les outils de finition doivent avoir 1 seule dent

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180 °

4- Outils

Ø 0.2

Outil hémisphérique : problématique de la position de pointe outil

La pointe est décalée par rapport à l’axe outil :

La pointe se situe du même coté que l’arête de coupe fraise torique, zones inaccessibles

La pointe se situe du côté opposé à l’arête de coupe talonnage, augmentation des efforts de coupe, dégradation de l’état de surface, flexion outil importante

Facile à mesurer car il y a environ un facteur 100 entre précision du profil et précision de la pointe outil

0.1 mm entre pointe et axe outil !

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4- Outils

Matériau outil : comparatif des matériaux utilisés en usinage de finition

Attention : les matériaux diamant ne s’utilisent pas pour l’usinage des métaux ferreux

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5- Montage d’usinage

Pièce brute Surface à usiner

Surface d’appui Bridage de la pièce 1

Usinage 2

Pièce finie retour élastique lors du débridage 3

Problème de mise en contrainte de la pièce lors du bridage

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5- Montage d’usinage

Il est impératif de limiter la mise en contrainte de la pièce due au bridage. Principes de conception des montages d’usinage pour limiter les contraintes

Montage strictement isostatique

Limiter la dimension des surfaces d’appui et de bridage Bridage en face des points d’appui : effort normal et centré sur l’appui

Bridage hors des zones fonctionnelles de la pièce Attention au coefficient de dilatation du matériau du montage

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5- Montage d’usinage

Exemples de solutions standard permettant de limiter les contraintes de bridage Maintient par bridage localisé dans des alésages

Bridage par le froid Bridage par collage

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5- Montage d’usinage

Solutions provoquant au contraire une mise en contraintes de la pièce Maintient par dépression

Maintient par fixation magnétique

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6- CFAO

Chaîne numérique La chaîne numérique : c’est l’ensemble des données numériques que l’on

trouve entre une pièce fabriquée contrôlée et sa définition CAO

Simulation EF

0 BEGIN PGM SABRE MM 1 BLK FORM 0.1 Z X-35 Y-4 Z-7 2 BLK FORM 0.2 X+35 Y+4 Z+0 3 TOOL CALL 1 Z S4500 4 CALL LBL 101 5 L Z+150 R0 FMAX M9 6 L X+0 Y+0 R0 FMAX M92 7 FN 9: IF +0 EQU +0 GOTO LBL 99 8 LBL 101 9 L X+0 Y+0 R0 FMAX M3 10 LN X+10.124 Y-5.558 Z+20 11 LN X+10.124 Y-5.558 Z+1.553 12 LN X+10.456 Y-5.613 Z-0.418 13 LN X+10.45 Y-5.456 Z-0.423 14 LN X+10.432 Y-5.3 Z-0.427 15 LN X+10.401 Y-5.146 Z-0.431 16 LN X+10.359 Y-4.995 Z-0.436

CAO 3D

CAO 2D

FAO Code CN

Contrôle MMT

Simulation d’usinage

MOCN

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6- CFAO

La chaîne numérique en usinage Divers logiciels et réglages interviennent dans cette chaîne Jusqu’à 50 paramètres influents dans cette chaîne Par défaut, ces paramètres conviennent pour une précision d’environ 10 µm

0 BEGIN PGM SABRE MM 1 BLK FORM 0.1 Z X-35 Y-4 Z-7 2 BLK FORM 0.2 X+35 Y+4 Z+0 3 TOOL CALL 1 Z S4500 4 CALL LBL 101 5 L Z+150 R0 FMAX M9 6 L X+0 Y+0 R0 FMAX M92 7 FN 9: IF +0 EQU +0 GOTO LBL 99 8 LBL 101 9 L X+0 Y+0 R0 FMAX M3 10 LN X+10.124 Y-5.558 Z+20 11 LN X+10.124 Y-5.558 Z+1.553 12 LN X+10.456 Y-5.613 Z-0.418 13 LN X+10.45 Y-5.456 Z-0.423 14 LN X+10.432 Y-5.3 Z-0.427 15 LN X+10.401 Y-5.146 Z-0.431 16 LN X+10.359 Y-4.995 Z-0.436

CAO 3D FAO

Code CN

Logiciel conversion

format

Logiciel postprocesseur

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6- CFAO

Défauts courants des programmes FAO Erreur cordale

Erreur de position de l’outil

Discontinuité en tangence

Discontinuité en courbure

1 2

1 2

3

4 1 2

3

5

4

Défauts dimensionnels

Défauts d’état de surface

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6- CFAO

Paramètres de décalages des passes

Décalage centre outil souvent utilisé

Niveau Z le plus simple

Décalage point de contact disponible en principe sur les cycles isoparamétriques

Hauteur de crête constante le mieux pour respecter un état de surface mais calcul souvent faux (juste seulement pour les surfaces planes)

Attention à la section copeau qui influence directement

la flexion outil

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6- CFAO

Selon les surfaces, les stratégies donnent des choses différentes Exemple : usinage par balayage d’un rayon R 2 mm concave Fraise hémisphérique Ø3, ap 80 µm, fz 10 µm Réglage sur surface plane : hauteur de crête 0.5 µm ae 80 µm section copeau 200 µm²

0.5 µm

80 µm

Section 200 µm²

Fraise Ø3

Paramètres de réglage

R 2

Usinage par balayage d’un rayon concave

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6- CFAO

Tableau comparatif : usinage du rayon par balayage Pour un même réglage et selon le type de décalage de passes choisi, la

hauteur de crête peut être multipliée par 50 et la section copeau par 9.

Stratégie ae réel ae centre outil Hauteur de crête

Section copeau

Réglage référence surface plane 80 µm 80 µm 0.5 µm 200 µm²

Niveau Z 1130 µm 280 µm 26 µm 1800 µm²

Décalage centre outil 320 µm 80 µm 2 µm 700 µm²

Décalage contact outil / pièce 80 µm 20 µm 0.1 µm 300 µm²

Hauteur de crête constante 150 µm 40 µm 0.5 µm 470 µm²

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7- Contrôle

Pour mesurer des pièces de haute précision, il faut des moyens de mesure de très haute précision Machine à mesuré tridimensionnelle SIP du CTDEC Importance de la pression de contact lors du contrôle Importance de l’analyse des défauts de la pièce pour

comprendre les problèmes d’usinage

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7- Contrôle

Importance de la pression de contact lors du contrôle Endommagement des surfaces suite au contrôle par contact sur MMT :

attention à l’effort de palpage Exemple sur pièce en cuivre, Ra 0.01

Mesures MEB (CTDEC)

MMT standard

≈ 30 g Δ = 0.9µm

MMT SIP (0.8µm + L/800)

7 g Δ = 0.1µm

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7- Contrôle

Exemple d’analyse des défauts de la pièce Tolérances de la pièce : état de surface Ra 0.1 µm et défaut de forme Symétrie entre les iris 3, 10 et 19 gestion des défauts machine bien compensés Dérive sur la face intérieur des iris dérive thermique (peu de retour sur l’utilisation de la

machine et son comportement lors d’un usinage de longue durée)

74 75 76 77 78 79 80 81 82 83-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

19

-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

10

-65 -64 -63 -62 -61 -60 -59 -58 -57 -56-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

3

Défauts mesurés sur la pièce

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8- Conclusions

En maitrisant une partie des défauts influents sur l’usinage haute précision Il est tout à fait possible de réaliser des pièces de haute précision sur des

moyens de production standard D’autres développements peuvent êtres effectués pour maitriser le plus de

paramètres possibles

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