these Henri Paris

THESE

présentée par

Henri PARIS

Pour obtenir le titre de docteur

de l'Université Joseph Fourier - Grenoble 1

(Arrêtés ministériels du 5 juillet 1984 et du 30 mars 1992)

Spécialité : Mécanique

Contribution à la conception automatique des gammes d'usinage : le problème du posage et du bridage des

pièces.

soutenue le 8 novembre 1995 devant le jury

Pr. . René Chambon Président Pr. Pierre Bourdet Rapporteur Pr. Patrick Martin Rapporteur M. Daniel Brissaud Directeur de thèse M. Jos Pinte Examinateur Pr. René Soenen Examinateur

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Thèse préparée au sein du laboratoire 3S Sols Solides Structures

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Sommaire

Introduction .........................................................................................................1

1. Prise de pièce et processus d'usinage .........................................................7

1.1. Rôle de la prise de pièce pendant l'usinage...................................7

1.1.1. Comportement de l'ensemble du poste d'usinage............................ 8

1.1.2. Les différentes fonctions assurées par la prise de pièce................... 9

1.1.3. Les différentes technologies de montage d'usinage répondant à ces fonctions....................................................................................... 12

1.2. Incidence des défauts du montage d'usinage sur la qualité de la pièce obtenue ..........................................................................16

1.2.1. Le balançage de la pièce...................................................................... 17

1.2.2. Les dispersions au contact pièce-montage d'usinage..................... 18

1.2.3. Les déformations de la pièce.............................................................. 20

1.3. La gamme d'usinage .......................................................................23

1.3.1. Définitions............................................................................................. 23

1.3.2. Les objectifs de la gamme d'usinage................................................. 23

1.3.3. Notre approche de conception de la gamme d'usinage................. 25

1.3.4. La prise de pièce dans le processus de conception de la gamme d'usinage ................................................................................. 27

1.3.5. Compromis entre prise de pièce et gamme d'usinage ................... 28

1.4. Nos travaux sur la gamme : PROPEL...........................................28

1.5. Etat de l’art extérieur.......................................................................31

1.5.1. Les études sur les tâches de détermination de prise de pièce....... 31

1.5.2. L'interaction entre prise de pièce et conception de gamme d'usinage ............................................................................................... 42

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1.6. Notre approche vis-à-vis de la prise de pièce .............................46

2. Le modèle entité de prise de pièce ............................................................49

2.1. Modèle d'appui ................................................................................50

2.1.1. Le type d'appui .................................................................................... 50

2.1.2. La direction d'appui ............................................................................ 51

2.1.3. Le repère d'appui................................................................................. 51

2.1.4. Le torseur cinématique d'appui ........................................................ 52

2.1.5. L'étendue d'appui................................................................................ 52

2.1.6. Le lieu des points d'appui .................................................................. 53

2.1.7. Le torseur de réaction d'appui........................................................... 53

2.1.8. La qualité d'appui................................................................................ 56

2.1.9. L'accessibilité à l'appui ....................................................................... 58

2.2. Modèle de posage ............................................................................60

2.2.1. Le type de posage ................................................................................ 60

2.2.2. Le repère de posage ............................................................................ 63

2.2.3. Le torseur de posage ........................................................................... 65

2.2.4. La qualité de posage............................................................................ 66

2.3. Modèle de bridage...........................................................................67

2.3.1. Le mode de bridage............................................................................. 67

2.3.2. Le centre de bridage............................................................................ 69

2.3.3. Le torseur de bridage .......................................................................... 69

2.3.4. La qualité de bridage .......................................................................... 70

2.4. La liste des entités d'usinage accessibles......................................71

2.4.1. L'encombrement du dispositif de bridage....................................... 71

2.4.2. L'encombrement des éléments assurant le posage......................... 72

2.4.3. Encombrement des outils de coupe pendant l'usinage ................. 72

2.4.4. La liste des entités d'usinage accessibles.......................................... 78

2.5. Comportement mécanique du système pièce/prise de pièce/outil coupant .........................................................................79

2

2.5.1. Calcul de l'intensité des efforts de bridage ...................................... 79

2.5.2. Modèle de stabilité du posage. .......................................................... 87

2.5.3. Modèle de déformation de la pièce................................................... 88

2.6. Cohérence du modèle prise de pièce avec les autres modèles .............................................................................................90

3. L'apport des connaissances sur les prises de pièce dans un contexte de conception de gammes d'usinage ........................................93

3.1. Le contexte de gamme d'usinage ..................................................93

3.2. Construction de l'ensemble des prises de pièce potentielles ....94

3.2.1. Les entités de prise de pièce sur la pièce finie d'usinage............... 95

3.2.2. Les entités de prise de pièce sur la pièce brute ............................... 96

3.2.3. Les entités de prise de pièce sur les états intermédiaires .............. 98

3.2.4. Gestion de la dynamique des entités de prise de pièce ............... 105

3.2.5. Comment construire l'ensemble des entités de prise de pièce?.. 106

3.2.6. Liste des entités de prise de pièce compatibles avec une entité d'usinage et qualité de posage admissible ..................................... 109

3.3. Comment le gammiste manipule-t-il cet ensemble? ................113

3.3.1. Lien entité d'usinage - entité de prise de pièce - cinématique de la machine-outil ............................................................................ 114

3.3.2. Regroupement de deux opérations dans une même sous-phase.................................................................................................... 120

3.3.3. Détermination des cas où il n'existe pas d'entité de prise de pièce ..................................................................................................... 127

4. MIAP : notre module informatique sur les prises de pièce.................129

4.1. Présentation du module MIAP....................................................129

4.1.1. Les sorties du module MIAP ........................................................... 130

4.1.2. Les entrées du module MIAP .......................................................... 130

4.1.3. La structure du module MIAP......................................................... 134

4.2. Le rôle du gammiste......................................................................134

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4.3. Le fonctionnement du sous-module analyse géométrique .....135

4.3.1. Sélection des appuis potentiels........................................................ 135

4.3.2. Construction de la liste des prises de pièce pour chaque entité d'usinage............................................................................................. 140

4.4. Le sous-module de calcul de l'effort de bridage et des indices de stabilité .........................................................................144

4.5. Le sous-module : calcul de la qualité de posage.......................148

4.6. Les limites du module...................................................................150

4.7. Exemple : le support intermédiaire.............................................151

4.7.1. Présentation de la pièce .................................................................... 151

4.7.2. Les résultats........................................................................................ 153

5. L'apport des connaissances sur les prises de pièce dans un contexte de conception intégrée d'un produit .......................................163

5.1. Intérêt de prendre en considération les connaissances de fabrication pendant la conception du produit ..........................164

5.2. Quelles réponses pouvons-nous apporter? ...............................165

5.2.1. La Conception par entités d'usinage .............................................. 165

5.2.2. La conception en respectant des règles d'usinage ........................ 165

5.2.3. Outils de fabricants validant la conception ................................... 166

5.2.4. Apport de contraintes orientant la conception ............................. 166

5.3. Comment assister le concepteur dans la détermination des surfaces assurant une prise de pièce...........................................167

Conclusion........................................................................................................169

Bibliographie....................................................................................................173

Annexe A : la pièce ANC101

Annexe B : l’article soumis à la revue “Journal of Materials Processing”

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How to assist designers to forecast surfaces used for easier fixturing in the machining process.

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Introduction 1

Introduction

Pendant son usinage, une pièce est mise en position et maintenue dans le référentiel de la machine-outil à l'aide d'un appareillage appelé montage d'usinage. Nous appelons prise de pièce le modèle associé à ce montage d'usinage. La prise de pièce assure la fonction de mise en position de la pièce, appelée posage, et la fonction de maintien de cette pièce, appelée bridage, pendant son usinage. La mise en position assure le respect des tolérances de position des différentes entités fonctionnelles, définies et placées dans le référentiel de la pièce par le concepteur. Le maintien sur cette position permet d'assurer l'équilibre de la pièce pendant toute la durée de son usinage. Généralement les pièces sont réalisées en série. La prise de pièce doit alors garantir une position dans une plage admissible pour l'ensemble des pièces de la série dans le référentiel de la machine-outil.

Parmi les principales causes de non-qualité des pièces mécaniques obtenues par usinage, une prise de pièce mal adaptée est très souvent citée. Les principales causes de rebut dues à la prise de pièce proviennent soit d'un mauvais réglage de la mise en position de la pièce dans le référentiel de la machine-outil, soit d'un mouvement intempestif de la pièce dans son ensemble en cours d'usinage, soit des déformations de la pièce ou des dispersions sur la position de la pièce dans le référentiel de la machine-outil. Un mauvais réglage conduit à une mauvaise position des surfaces usinées dans le

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2 Introduction

référentiel de la pièce : la pièce n'est alors pas conforme aux spécifications du concepteur, elle doit être mise au rebut. L'augmentation accidentelle des paramètres de coupe génère des efforts incompatibles avec le bridage prévu. Le mouvement intempestif de la pièce qui en résulte se termine généralement par une collision outil-pièce : la sécurité de l'opérateur et du poste de travail est alors compromise et la durée de l'arrêt de production est souvent très longue. Les dispersions dues aux défauts des surfaces de mise en position et aux déformations de la pièce pendant l'usinage induisent une mauvaise qualité et une mauvaise position des usinages dans le référentiel de la pièce suite à la libération des contraintes générant ces déformations. La qualité des usinages n'est plus assurée, la pièce doit alors être mise au rebut.

Ces problèmes, dus à un mauvais choix de prise de pièce, apparaissent pendant la production. Le site de production est alors immobilisé et donc improductif. Sa remise en route passe par l'identification de la cause de non-qualité de l'usinage et la résolution du problème. Généralement ces arrêts de production sont longs et coûteux : ils impliquent une modification du montage d'usinage. Pour éviter ces problèmes, il est primordial de maîtriser les choix de prise de pièce pour l'usinage. Les deux premières causes de non-qualité peuvent être minimisées par un choix judicieux de la mise et du maintien en position de la pièce. Elles peuvent être annulées si le concepteur conçoit la pièce en étudiant particulièrement les diverses surfaces allant servir de prise de pièce. La troisième cause peut, elle aussi, être minimisée par un choix adapté de la prise de pièce, mais surtout par une conception raisonnée de la pièce. Elle ne peut pas être annulée entièrement car elle dépend du contact entre la pièce et le montage d'usinage. Nous abordons le problème de la formalisation de la connaissance sur les prises de pièce en usinage de manière, à la fois, à structurer cette connaissance par un raisonnement performant et à développer des outils d'aide au gammiste assurant l'obtention de la qualité de la pièce.

L'établissement de la gamme d'usinage est le travail préparatoire au lancement de la production. Il se fait généralement au bureau des méthodes et non pas dans l'atelier. Concevoir une gamme d'usinage consiste à prévoir à la fois les actions à réaliser sur la pièce et les moyens matériels nécessaires pour passer de la pièce brute à la pièce finie. Un (ou plusieurs) expert appelé gammiste est chargé de ce travail. Il doit proposer les actions et leurs enchaînements qui garantiront le bon déroulement de l'usinage pour l'ensemble des pièces de la série. Ce travail délicat nécessite de nombreuses connaissances sur le choix des machines-outils et des outils coupants, des prises de pièce et des trajectoires des outils sans oublier les différents traitements de matériau nécessaires. Le problème principal du gammiste est donc de maîtriser le processus d'usinage afin de prédire son déroulement avec suffisamment de précision et de

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Introduction 3

fiabilité de manière à garantir une production avec le minimum d'incidents. A l'heure actuelle, cette maîtrise du processus est assurée grâce au savoir-faire du gammiste qui travaille de manière empirique à partir de sa propre expérience et des bases de données techniques des vendeurs d'équipements.

Au sein du laboratoire 3S, dans une étude précédente, nous nous sommes intéressés à formaliser la connaissance de gammes d'usinage ainsi que la démarche du gammiste. Ce travail a permis la réalisation du système expert PROPEL capable de proposer automatiquement des architectures de gammes d'usinage. Son expérimentation sur un ensemble cohérent de pièces industrielles a permis de valider le modèle hiérarchique de gamme et la pertinence de la structuration de la connaissance en champs bien identifiés. La notion d'entité d'usinage, élément essentiel du raisonnement du gammiste, a permis de s'affranchir de la pauvreté de la représentation de la pièce proposée par le concepteur. Les résultats obtenus sont tout à fait satisfaisants mais trouvent leur limite dans un manque de connaissance pour les décisions de prise de pièce et dans la difficulté d'utilisation d'un tel système due à la non-intégration de l'entité d'usinage dans un environnement CAO.

L'analyse de la conception d'une gamme d'usinage sur différents cas industriels montre que les principales tâches du gammiste, l'organisation des opérations d'usinage et le choix des prises de pièce adaptées à chaque sous-phase, sont fortement couplées. Elles ne peuvent être pensées indépendamment l'une de l'autre. Dans la littérature, les auteurs s'intéressent généralement à la résolution locale d'une tâche : choix des appuis, calcul d'efforts, ordonnancement des opérations... Ces tâches sont traitées de manière séquentielle dans les quelques travaux s'en préoccupant. Nous abordons le problème de gamme d'usinage avec une autre approche consistant à mener simultanément la tâche processus d'usinage et la tâche prise de pièce.

Dans le premier chapitre, nous définissons les notions de prise de pièce et processus d'usinage. L'étude des défauts générés sur la pièce par le processus d'usinage dans des cas industriels montre la difficulté pour maîtriser les prises de pièce et l'intérêt de les estimer précisément au moment des choix pendant la conception de la gamme d'usinage; il y a un couplage fort entre le choix d'une prise de pièce efficace et la détermination du processus d'usinage le mieux adapté pour les entités d'usinage. Le gammiste est notamment chargé de ces deux tâches. Nous pouvons noter que la gestion

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4 Introduction

de l'espace de travail de la machine-outil et la maîtrise de la qualité obtenue sur les surfaces usinées lui posent particulièrement des problèmes.

Nous verrons que, dans la littérature, les auteurs proposent des modèles et des méthodes de résolution pour répondre à diverses tâches : choix des points d'appui, détermination des déformations de la pièce maintenue en position, ordonnancement des opérations d'usinage… Dans la plupart des cas, ces tâches sont étudiées indépendamment les unes des autres; l'interaction entre elles n’est abordée qu'à partir d'un enchaînement séquentiel de celles-ci. Notre approche privilégie la complexité de ces interactions en considérant globalement la prise de pièce dans un contexte de conception de gammes d'usinage. Notre étude des prises de pièce en usinage s'inscrit donc dans une démarche de conception de gammes construisant simultanément le regroupement des usinages et le choix de la prise de pièce.

Dans le deuxième chapitre, nous présentons notre travail de formalisation de la connaissance sur les prises de pièce. Le modèle entité de prise de pièce mis en place permet d'apporter la connaissance nécessaire au gammiste pour étayer ses choix. Pour cela, nous construisons, pour chaque entité d'usinage, l'ensemble des entités de prise de pièce adaptées. Nous montrons tout particulièrement comment ce modèle est renseigné : les attributs de l'entité de prise de pièce sont extraits, à la fois, de l'analyse du modèle géométrique CAO, de l'analyse du modèle d'entités d'usinage défini par le gammiste, et d'une étude du comportement mécanique de la pièce pendant son usinage. Les modèles manipulés allient informations géométriques et informations non géométriques. La cohérence entre ces diverses informations et ces différents modèles doit être maintenue en permanence.

Dans le troisième chapitre, nous mettons en évidence l'évolution d'une entité de prise de pièce pendant l'usinage de la pièce : pour passer de l'état brut à l'état fini, la géométrie de l'entité évolue et la qualité de la surface s'améliore au fur et à mesure des opérations d'usinage. Bien que notre étude s'appuie sur l'étude de la pièce finie, nous verrons comment nous gérons cette dynamique des entités. Sur certaines pièces, cette dynamique peut être plus vaste en permettant notamment la création et la destruction d'entités de prise de pièce potentielles tout au long de l'usinage de la pièce.

Dans la dernière partie de ce chapitre, nous abordons la gestion du modèle de prise de pièce lors des actions du gammiste pour concevoir la gamme, notamment lorsqu'il

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Introduction 5

construit les sous-phases. Si le calcul de certains attributs ne nécessite que des traitements simples, l'estimation d'autres attributs impose une nouvelle modélisation du comportement. Nous abordons particulièrement le lien "entité d'usinage", "entité de prise de pièce" et "cinématique de la machine-outil".

Dans le quatrième chapitre, nous présentons MIAP le module informatique de "sélection des prises de pièce" que nous avons développé et implémenté dans un environnement CFAO : Euclid-Is. Il a permis de valider le modèle entité de prise de pièce que nous avons mis en place dans le deuxième chapitre. Les entrées de notre module sont, d'une part, le modèle volumique et le modèle surfacique de la pièce finie d'usinage représentant la pièce vue par le concepteur et, d'autre part, une description de la pièce par entités d'usinage représentant la pièce vue par le gammiste. A partir de ces données, le module propose au gammiste l'ensemble des entités de prise de pièce possibles pour chaque entité d'usinage, en précisant la géométrie de posage, les lieux de bridage, les efforts de bridage et la qualité de posage nécessaire. Pendant la conception de la gamme d'usinage, le gammiste a alors la possibilité d'interroger notre module pour vérifier s'il existe une prise de pièce adaptée à chacune des opérations d'usinage qu'il a mises en place. De plus, il dispose des informations pertinentes sur les prises de pièce dès le début de la conception de la gamme. Il a alors la possibilité d'ajouter des usinages permettant de créer ou d'améliorer la qualité des prises de pièce existantes.

Le module permet actuellement de traiter des pièces industrielles considérées comme un solide rigide. Pour illustrer les performances de l'outil, nous traitons un exemple d'une pièce industrielle. A terme, notre module sera couplé au générateur de gammes PROPEL. Le module proposera l'ensemble des entités de prise de pièce potentielles associé à chaque entité d'usinage au cours de l'initialisation de PROPEL et gérera cet ensemble pendant l'organisation des opérations d'usinage.

Dans le cinquième chapitre, nous changeons de contexte et nous nous intéressons aux retombées de notre étude sur la conception de produit. Pour raccourcir le temps d'industrialisation et diminuer le coût du produit, il faut limiter tous les retours entre les différents métiers intervenant dans la vie du produit et la conception. Pour cela, nous préconisons que le concepteur dispose d'outils d'assistance ou d'outils de validation qui orientent ses choix en considérant les contraintes liées aux différents métiers de fabrication. L'intégration des connaissances sur les prises de pièce dans le processus de conception peut être assurée à l'aide de deux types d'outils. Le premier

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6 Introduction

consiste à déplacer notre outil dans le domaine du concepteur, qui n'est pas un spécialiste de l'usinage, pour qu'il valide ses choix. Nous montrons les informations que nous pouvons lui donner à partir du champ de connaissances que nous avons mis en valeur dans le deuxième chapitre. Un deuxième outil, s'appuyant sur les expérimentations du premier, permet de réaliser pleinement un outil de conception apportant des contraintes supplémentaires dues aux possibilités de prise de pièce pour affiner le choix et la définition des surfaces de la pièce. Nous ne montrons ici que les concepts sous-jacents, l'implémentation n'ayant pas commencé.

Enfin, en conclusion, nous montrons les perspectives ouvertes par notre étude. D'abord, pour avoir des outils efficaces et utilisés, il est indispensable de compléter notre modèle en intégrant les déformations possibles de la pièce lors de l'usinage. Nous présentons des pistes permettant de prendre en considération les déformations. Les géométries complexes des pièces et la demande d'une réponse rapide et fiable imposent la recherche de nouveaux outils de calcul. L'intégration de contraintes de fabrication lors de la conception que nous abordons dans le cinquième chapitre demande une étude plus approfondie pour définir les outils et leur utilisation dans le domaine de la conception. La conception automatique de gammes d'usinage et de montages d'usinage sont des suites plus logiques de ce travail.

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Prise de pièce et processus d'usinage 7

1. Prise de pièce et processus d'usinage

Dans ce premier chapitre, pour définir la problématique qui nous intéresse, nous commençons par analyser les prises de pièce (paragraphe 1.1) en insistant notamment sur l'obtention de la qualité de la pièce (paragraphe 1.2). Nous rappelons ensuite notre approche de la conception de gammes d'usinage (paragraphes 1.3 et 1.4). L'étude bibliographique que nous avons menée (paragraphe 1.5) permet d'appuyer notre étude sur des résultats prouvés tout en montrant l'originalité de notre démarche (paragraphe 1.6).

1.1. Rôle de la prise de pièce pendant l'usinage

L'usinage consiste à réaliser des surfaces sur une pièce en pilotant des outils coupants dont les trajectoires sont définies dans le référentiel de la machine-outil. Pour situer les surfaces usinées, qui, elles, sont définies dans le référentiel de la pièce, il est nécessaire de définir la position de la pièce dans le référentiel de la machine-outil. Matériellement, cette position est assurée par un dispositif, appelé montage d'usinage, qui est fixé sur la table de la machine-outil. Chaque pièce de la série est placée puis bridée sur le montage d'usinage par l'opérateur ou parfois par un manipulateur automatisé. L'usinage peut alors commencer. Dès la fin de l'usinage, la pièce est débridée et récupérée par l'opérateur ou le manipulateur et la pièce suivante est, à son tour, placée puis bridée sur

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8 Chapitre 1

le montage d'usinage. Pour garantir une bonne précision sur la position de l'usinage dans le référentiel de la pièce, chaque pièce de la série occupe une position la plus identique possible dans le référentiel de la machine-outil. De plus, cette position ne doit pas être remise en cause pendant toute la durée de l'usinage quelles que soient l'intensité et la direction des efforts de coupe exercés par l'outil coupant sur la pièce. Le montage d'usinage, modélisé par la prise de pièce, assure la position de la pièce et le maintien sur cette position grâce aux deux fonctions : le posage et le bridage.

1.1.1. Comportement de l'ensemble du poste d'usinage

Pendant son usinage, la pièce est placée sur le montage d'usinage qui est fixé sur la table de la machine-outil. L'outil de coupe, qui est monté dans la broche de la machine-outil, usine la pièce. La qualité de la surface usinée est directement conditionnée par le comportement mécanique de la pièce, du montage d'usinage, de la machine-outil et de l'outil pendant l'usinage et par les conditions de travail, la lubrification et l'évacuation des copeaux. Sous les sollicitations dues à la coupe et au bridage, cette chaîne fermée de solides se déforme. Les vibrations générées par la coupe excitent l'ensemble de la chaîne qui entre alors en vibration. Ces vibrations sont généralement absorbées par le poste d'usinage. Cependant, dans certaines conditions qui sont difficiles à prévoir, l'ensemble du poste se comporte de manière instable [Coffignal 95]. La qualité de la surface usinée n'est alors pas celle que l'on attendait. En effet, les mouvements relatifs entre l'outil et la pièce dus aux phénomènes d'instabilité se retrouvent directement sur la pièce. Dans ce cas, la qualité de la surface usinée n'est pas conforme aux spécifications issues du bureau d'étude. La pièce est alors mise au rebut. De plus, les efforts sur l'outil et sur la pièce dus aux phénomènes d'instabilité sont importants. Ils peuvent conduire à un bris d'outil ou à un mouvement intempestif de la pièce sur le montage d'usinage. La pièce entre alors en collision avec l'outil. La remise en état du poste d'usinage est généralement longue et coûteuse.

Coffignal, Montgomery et Schulz, dans [Coffignal 95], [Montgomery 91], [Schulz 93] proposent de prédire la qualité des surfaces obtenues par usinage en s'appuyant sur l'utilisation d'un simulateur numérique d'usinage prenant en compte le comportement dynamique de l'ensemble pièce, montage d'usinage, machine-outil et outil de coupe. Cette simulation permet de fournir une description détaillée de la géométrie de la surface usinée, de prévoir les phénomènes d'instabilité dynamique qui apparaissent expérimentalement dans certaines plages de fonctionnement, et de comprendre l'ensemble des phénomènes mis en jeu ainsi que leurs interactions. Les résultats de cette simulation sont directement fonction de la modélisation de l'ensemble du poste de travail. La simulation est alors difficile à mettre en oeuvre. En effet, la modélisation du

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poste de travail est délicate car elle dépend, entre autres, de la géométrie de la pièce à usiner.

Vue la difficulté de prévoir les phénomènes d'instabilité, toutes les précautions sont prises pour éviter ces phénomènes. Sur l'ensemble du poste de travail, la machine-outil et la pièce sont parfaitement définies et ne peuvent pas être modifiées. Par contre l'outil, les paramètres de coupe et le montage d'usinage peuvent être adaptés pour éviter les phénomènes d'instabilité. Les outils sont choisis le plus court possible pour augmenter la rigidité. Le montage d'usinage est conçu compact avec une structure la plus rigide possible. De plus, pour limiter les risques de vibrations de la pièce, il est possible d'ajouter des appuis supplémentaires réglables qui ne remettent pas en cause la position de la pièce.

1.1.2. Les différentes fonctions assurées par la prise de pièce

La fonction posage.

Pendant l'usinage, chaque pièce de la série occupe tour à tour une position la plus identique possible dans le référentiel de la machine-outil. Cette condition permet de respecter les différentes cotes et tolérances de position sans modifier les réglages du montage d'usinage et/ou de la machine-outil. Pour cela, le posage doit être :

• isostatique. Une des pièces de la série doit occuper une position unique dans le référentiel de la machine-outil. Cette position est obtenue en éliminant les six degrés de liberté de la pièce dans ce référentiel. La combinaison des surfaces de posage doit respecter les règles de l'isostatisme. Elle ne peut donc pas être quelconque. La modélisation parfaite du posage en considérant la combinaison isostatique des contacts ponctuels entre la pièce et la prise de pièce, appelés points d'appui, assure une position parfaitement définie de chaque pièce de la série dans le référentiel de la machine-outil. Cependant, l'étendue du contact matérialisant le point d'appui engendre une erreur de positionnement de la pièce dans ce référentiel. La figure 1.1 montre l'erreur de position en réalisant un appui plan sur toute l'étendue de la surface. En effet, la maîtrise des trois points de contact n'est plus assurée. Chaque pièce de la série peut alors occuper plusieurs positions stables dans le référentiel de la machine-outil : Rm. Cette solution est permise lorsque le défaut de forme de la surface est faible. Généralement, l'erreur est minimisée par un contact localisé ayant une étendue compatible avec la pression de contact.

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10 Chapitre 1

pièce

montage d'usinage

défaut de formeRp

Rm

Figure 1.1 : erreur de position, du repère pièce Rp dans le repère de la machine-outil Rm, générée par un posage sur toute l'étendue d'un plan.

• stable. L'usinage génère des efforts de coupe qui tendent à perturber la position de la pièce dans le référentiel de la machine-outil et, par conséquent, le respect de la position de l'usinage dans le référentiel de la pièce. Le posage est considéré comme stable si les perturbations dues à la coupe ne remettent pas en cause la position de la pièce dans le repère de la machine-outil. Le choix et la combinaison des surfaces de posage ont une incidence sur la stabilité du posage lorsque des efforts de coupe sont appliqués sur la pièce.

• de bonne qualité. Pour chacune des pièces de la série, le contact entre la pièce et les éléments de mise en position n'est pas parfait. En effet, les différents défauts de surface (état de surface, défaut de forme) des surfaces de posage perturbent la position de la pièce dans le référentiel de la machine-outil. Cette perturbation se traduit par une erreur aléatoire, dans une plage définie, sur la position de la pièce dans le référentiel de la machine-outil. Nous l'appellerons dispersion de mise en position. De plus, les éléments constituant le montage d'usinage n'étant pas parfaits, ils génèrent une erreur systématique de la position de chaque pièce de la série dans le référentiel de la machine-outil. La somme de ces erreurs doit rester compatible avec les cotes à obtenir. Le choix des surfaces de posage a une incidence importante sur la qualité du posage.

La fonction bridage.

Pendant l'usinage, la pièce est soumise aux actions mécaniques suivantes :

• son propre poids. L'intensité et la direction de l'action de la pesanteur sont parfaitement connues lorsque la pièce est positionnée dans le référentiel de la machine-outil.

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• les phénomènes d'inertie. Généralement, la pièce est animée d'un mouvement d'avance qui est relativement lent. Dans ce cas, les phénomènes d'inertie sont faibles devant les autres actions mécaniques auxquelles est soumise la pièce. Il est alors possible de les négliger. Dans le cas du tournage, la pièce est animée d’un mouvement de coupe assurant l'enlèvement de métal et la vitesse est nettement plus importante. Les phénomènes d'inertie sont alors du même ordre de grandeur que les autres actions mécaniques et ne peuvent être négligés.

• les efforts de coupe. Les efforts de coupe sont fonction du type d'usinage. Ils peuvent évoluer, pendant toute la durée de l'usinage, en intensité et en direction.

Pour éviter que sous ces efforts, la pièce ne puisse quitter ses appuis, on rajoute un système de forces assurant l’équilibre de celle-ci à savoir :

• la réaction du posage. La direction des efforts de réaction du montage d'usinage sur la pièce est connue si on néglige le frottement entre la pièce et le montage d'usinage. Si le frottement n'est pas négligeable, la variation possible de la direction se situe dans un cône dont l'angle au sommet est fonction du coefficient de frottement.

• les efforts de bridage. La direction des efforts de bridage est directement fonction du dispositif de bridage. Cette direction est donc connue.

Le bridage permet donc d'assurer l'équilibre de la pièce soumise aux différents efforts et de la maintenir sur ses points d'appui. Pour cela, le bridage doit être :

• efficace. Le bridage assure l'équilibre de chaque pièce de la série dans le référentiel de la machine-outil avant et pendant l'usinage. Il ne doit en aucun cas remettre en cause la mise en position. Le choix du lieu de bridage est fortement contraint par le choix des surfaces de posage et les efforts exercés par les outils de coupe pendant l'usinage.

• adapté. Les efforts exercés sur la pièce risquent de déformer celle-ci. La pièce est alors usinée déformée (figure 1.2). Lorsque l'effort de bridage est supprimé, la pièce reprend sa forme d'origine. Dans ce cas, les différentes cotes et tolérances ne sont plus respectées. Le lieu, le nombre et l'intensité de l'effort de serrage sont choisis afin de minimiser les déformations de la pièce tout en maintenant celle-ci sur le montage d'usinage. De plus, pour limiter les déformations locales, la valeur de la pression aux contacts pièce-montage d'usinage doit rester compatible avec les caractéristiques du matériau de la pièce, voire du montage d'usinage.

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12 Chapitre 1

• bien placé. Les éléments de bridage occupent un espace qui se situe généralement dans l'espace de travail des outils de coupe. Les risques de collision avec ceux-ci sont élevés. Le lieu des éléments de bridage est choisi en conservant l'accessibilité aux entités d'usinage.

S

1 2 3

pièce bridée pièce débridée

Figure 1.2 : incidence des déformations de la pièce sur la qualité de la surface usinée.

1.1.3. Les différentes technologies de montage d'usinage répondant à ces fonctions

Le montage d'usinage est généralement composé de trois parties. La première concerne les éléments en contact avec la pièce assurant le posage et le bridage. La deuxième assure le lien avec la machine-outil. Il s'agit de la plaque de base ou de l'équerre en fonction de l'orientation de la pièce dans le référentiel de la machine-outil. Enfin, l'ossature du montage permet de lier les éléments de posage et de bridage à la plaque de base ou à l'équerre.

Le contact entre la pièce et le montage d'usinage est réalisé par des appuis assurant le posage et par le dispositif de bridage, généralement des brides ou des crampons plaqueurs, assurant le bridage. Les différents constructeurs [AMF 89], [Norelem 91] et [Halder 91] proposent des éléments de posage (figure 1.3), dans les kits d'éléments modulaires, qui respectent au mieux le modèle de posage tout en prenant en considération les efforts exercés sur la pièce par ces éléments. L'utilisation d'appuis hémisphériques permet de respecter au mieux le modèle de posage car le contact est ponctuel, mais la pression au niveau du contact entre la pièce et l'appui est alors élevée. Ils sont utilisés lorsque les efforts exercés par les appuis sur la pièce sont de faible intensité. Pour éviter les déformations locales dues à une pression incompatible avec les caractéristiques mécaniques du matériau de la pièce, il est nécessaire d'augmenter l'aire du contact. Les appuis plats disposent d'une surface de contact plus importante. Ils sont généralement employés pour assurer un contact sur une surface usinée ayant une orientation compatible avec l'appui pour assurer une pression de contact uniforme sur toute l'étendue de l'appui. L'utilisation d'appuis autoaligneurs permet une répartition uniforme de la pression de contact. Les appuis striés sont employés lorsque les risques de glissement de la pièce sur ses appuis sont importants. Les stries augmentent la

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résistance au frottement en déformant localement la pièce au droit des appuis. Cette solution peut être retenue si les déformations générées par les appuis disparaissent ensuite par usinage.

Figure 1.3 : Les différentes technologies des points d'appui

En conclusion, les choix technologiques des éléments assurant le posage de la pièce sur le montage d'usinage sont essentiellement fonction des paramètres suivants :

• la nature du matériau de la pièce,

• la qualité de la surface d'appui appartenant à la pièce,

• les efforts encaissés par les points d'appui,

• le défaut d'orientation de la surface d'appui.

Les éléments disponibles dans les kits d'éléments modulaires permettant d'assurer le bridage peuvent être classés en deux familles : les brides et les crampons plaqueurs. Le dispositif de bridage, de type bride, est composé d'une bride, d'un tirant assurant le serrage, d'un pied de bride et d'un ressort permettant de maintenir la bride en position haute pendant le chargement/déchargement de la pièce. Les brides peuvent être plates, à fourche, escamotables... Le choix s'effectue essentiellement en fonction de l'espace disponible pour placer le dispositif de bridage tout en permettant un chargement/déchargement aisé de la pièce sur le montage d'usinage et le passage des outils de coupe. L'effort de serrage d'un tel dispositif est orienté perpendiculairement à la bride et à la plaque de base (figure 1.4).

13

14 Chapitre 1

F

Figure 1.4 : le dispositif de bridage de type bride

Le dispositif de bridage de type crampon plaqueur (donnant une fonction identique à l’étau) est composé d'un corps et d'un coulisseau qui est déplacé à l'aide d'une came ou d'une vis. L'effort exercé par le crampon est orienté de manière à plaquer la pièce sur ses appuis (figure 1.5). Il peut être décomposé en un effort de serrage qui est parallèle à la plaque de base et un effort, d'intensité plus faible, qui garantit le contact de la pièce sur ses appuis.

F

Figure 1.5 : le dispositif de bridage de type crampon plaqueur

Le dispositif de bridage exerce sur la pièce un effort d'intensité souvent élevée. Cet effort risque de déformer la pièce. Le dispositif de bridage est placé de manière à contrôler les déformations générées par l'effort de bridage. Dans la pratique, les brides sont placées en face des points d'appui pour éviter ou minimiser les déformations. Les constructeurs proposent un dispositif qui assure à la fois un appui et un bridage opposés. Ce dispositif est composé d'une semelle sur laquelle sont montés l'appui, le tirant de serrage et le pied de bride et d'une bride qui exerce un effort parfaitement opposé à l'appui (figure 1.6).

14


bride

pièce

appui

Figure 1.6 : le dispositif intégrant le posage et le bridage.

En conclusion, les choix technologiques des éléments de bridage sont essentiellement dépendants des paramètres suivants :

• la direction des efforts de bridage par rapport à la plaque de base,

• l'intensité des efforts de bridage,

• l'espace disponible en prenant en considération les trajectoires des outils de coupe et le chargement/déchargement de la pièce.

Le montage d'usinage est généralement préparé en dehors du site de production. Il est ensuite monté sur la table ou la palette de la machine-outil. La liaison du montage d'usinage avec la machine-outil est généralement située au niveau de la plaque de base ou de l'équerre. Cette liaison est standard. Elle assure une position et un maintien correct du montage et, par conséquent, de la pièce dans le référentiel de la machine-outil. De plus, elle est placée sous la plaque de base ou l'équerre et n'interfère pas avec les éléments qui sont placés sur celle-ci et l'espace de travail des outils de coupe.

L'ossature du montage d'usinage permet de lier les éléments d'appui et les éléments de bridage à la plaque de base. L'ossature est conçue de manière à garantir le passage des outils de coupe pendant l'usinage, le chargement/déchargement de la pièce, l'évacuation des copeaux et du fluide de coupe. De plus, pour éviter les déformations

15

16 Chapitre 1

dues aux efforts de bridage et les risques de vibrations, l'ossature du montage d'usinage est la plus rigide possible. Les différentes technologies pour concevoir et réaliser celle-ci sont les suivantes : utilisation d'éléments modulaires (figure 1.7 gauche), création d'un montage spécifique (figure 1.7 droite), ou, d’un assemblage d'éléments spécifiques et d'éléments modulaires. La conception d'un montage d'usinage en utilisant des éléments modulaires consiste à choisir et à placer des éléments pris dans un kit existant. Après la production, les éléments sont réutilisés pour d'autres montages d'usinage. L'ossature d'un montage spécifique est conçue pour une application donnée; elle ne peut pas servir à d'autres montages d'usinage.

Figure 1.7 : les différentes technologies de montage d'usinage : montage modulaire (gauche) et montage spécifique (droite)

1.2. Incidence des défauts du montage d'usinage sur la qualité de la pièce obtenue

La réalisation du montage d'usinage n'étant pas parfaite, l'ensemble des pièces de la série est positionné dans le référentiel de la machine-outil avec une erreur systématique due à la réalisation du montage d'usinage. De plus, les défauts engendrés par le contact pièce-montage d'usinage génèrent une dispersion aléatoire de mise en position de la pièce dans le référentiel de la machine-outil. Pendant l'usinage, les différents efforts exercés sur la pièce ont tendance à déformer celle-ci. L'excitation des efforts de coupe peut provoquer une vibration de l'ensemble du poste de travail et conduire à une pièce non conforme et à un endommagement des outils et appareillages.

1.2.1. Le balançage de la pièce

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Les trajectoires des outils de coupe sont définies dans le référentiel de la machine-outil. Le montage d'usinage est fixé sur la table de la machine-outil. Chaque pièce de la série est positionnée et bridée sur le montage d'usinage. Le réglage du montage d'usinage et de la machine-outil permet de garantir la position de l'usinage dans le référentiel de la pièce. Au niveau de la machine-outil, il est possible de positionner ce référentiel en effectuant une correction suivant les axes de la machine-outil. Généralement, seule une translation suivant chaque axe est possible car les machines-outils disposent le plus souvent de trois axes. L'orientation angulaire du référentiel de la pièce dans le référentiel de la machine-outil est assurée par le réglage du montage d'usinage appelé balançage de la pièce.

Prenons l'exemple du support d'alternateur. Les opérations d'usinage concernent les plans, repérés U1 à U5, et les alésages, repérés U6 et U7. La pièce est entièrement usinée sur un centre d'usinage quatre axes. Le posage est effectué sur trois surfaces planes, repérés P1 à P3, ayant des altitudes différentes et, par un centreur locating dans les deux alésages, repérés A1 et A2 (figure 1.8). L'orientation de la pièce autour des axes x et y est garantie par le réglage de la hauteur de deux points d'appui parmi les trois possibles. L'orientation autour de z est garantie par le réglage de la position du locating et du centreur sur la plaque de base. Ces réglages sont réalisés sur le montage d'usinage à l'aide d'une colonne de mesure et de comparateurs. Ils ne devront pas être remis en cause pendant la production de l'ensemble des pièces de la série. La mesure de l'origine du référentiel de la pièce sur le montage d'usinage permet de déterminer le vecteur translation entre les référentiels pièce et machine-outil qui est ensuite rentré comme paramètre dans le directeur de commande numérique.

A2

A1

P1

P2

P3

U1

U2

U3U4U5

U5

U7

x

y y

zz

y

U6

Figure 1.8 : le support d'alternateur

17

18 Chapitre 1

Le balançage n'affecte pas la qualité intrinsèque de l'usinage. En effet, les erreurs d'orientation et de position de la pièce dans le référentiel de la machine-outil ne perturbent pas l'usinage qui est le résultat de l'action d'un outil parcourant une trajectoire définie dans le référentiel de la machine-outil. Par contre, la position de l'ensemble de l'usinage réalisé dans le référentiel lié à la pièce est directement affecté par le balançage. La qualité de réalisation du montage d'usinage est alors déterminée à partir des tolérances des relations entre les différentes entités d'usinage. Comme le montage d'usinage est réalisé et réglé pour produire une série de pièces, l'erreur de balançage se retrouve de manière systématique sur l'ensemble des pièces de la série.

1.2.2. Les dispersions au contact pièce-montage d'usinage

Le contact entre la pièce et le montage d'usinage n'est pas parfait car les surfaces appartenant à la pièce et au montage d'usinage ne sont pas parfaites. La dispersion au contact pièce-montage d'usinage génère une erreur de position aléatoire de la pièce dans le référentiel machine. Chaque pièce de la série occupe alors une position différente dans le référentiel de la machine-outil. Cette erreur aléatoire entre la position théorique et la position réelle peut être estimée à partir des défauts intrinsèques des surfaces assurant le posage de la pièce. [Schneider 94]

L'erreur de position de la pièce due aux dispersions au contact pièce-montage d'usinage n'affecte pas la qualité intrinsèque de l'usinage. Par contre, la position de l'usinage dans le référentiel lié à la pièce est directement affectée par ces dispersions. Comme l'erreur est aléatoire, il n'est pas possible de la corriger en réglant le montage d'usinage ou en modifiant les paramètres au niveau du directeur de commande numérique. Le respect des tolérances des relations entre les différentes entités est conditionné par l'erreur de position de la pièce dans le référentiel de la machine-outil. Cette erreur est générée par les dispersions au contact pièce-montage d'usinage. Le choix des surfaces de posage ne peut donc pas être quelconque.

Prenons comme exemple la pièce appelée corps hydraulique (figure 1.9). La pièce est usinée à partir d'un brut moulé en coquille par gravité sur une chaîne transfert. Les opérations d'usinage sont essentiellement localisées au niveau de chaque bossage et sont positionnées par rapport à ces bossages. Le posage de la pièce est assuré par une liaison pivot glissant sur la partie centrale du corps hydraulique, par une liaison ponctuelle sur le plan P et par une autre liaison ponctuelle sur le bossage D. En faisant une étude des dispersions d'usinage [Bourdet 76], nous nous apercevons que pour répondre à la condition de coaxialité imposée par le bureau d'étude, la dispersion au niveau du posage doit être inférieure à 0,05. Or, le posage est effectué sur des surfaces

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qui sont brutes de fonderie. Il n'est alors pas possible de garantir cette qualité de posage.

PFigure 1.9 : dessin de définition du corps hydraulique

La première possibilité pour résoudre ce problème consiste à réaliser chaque usinage en se mettant en position sur le bossage correspondant. Cette solution conduit à un nombre de sous-phases important. Elle n'est donc pas économique.

La deuxième possibilité consiste à définir la position de chaque bossage avant de réaliser l'usinage correspondant. Cette solution nécessite d'utiliser un moyen de mesure embarqué sur la machine-outil. Les possibilités de recalage du référentiel programme dans le référentiel de la pièce sont limitées par les possibilités de la machine-outil. De plus, pendant la mesure de la pièce, le poste de travail est improductif.

La troisième possibilité consiste à améliorer la qualité de la pièce brute. Pour respecter la dispersion de posage, les cotes positionnant les bossages sur la pièce brute doivent avoir une tolérance de 0,15. Seul un dialogue avec le fondeur permet de trouver une technique de moulage appropriée. Dans tous les cas, le coût de la pièce brute est fortement augmenté.

La quatrième possibilité consiste à demander une modification de la définition de la pièce au bureau d'étude. La coaxialité est issue d'un critère de résistance qui entraîne une épaisseur de paroi minimale au niveau de chaque bossage. Si on augmente le diamètre extérieur des bossages, le critère de résistance entraîne une augmentation de la tolérance de coaxialité qui devient compatible avec les dispersions dues au posage.

1.2.3. Les déformations de la pièce

19

20 Chapitre 1

Pendant son usinage, la pièce est soumise aux actions des outils de coupe, à l'action du bridage, à son poids et à la réaction du posage. Ces actions mécaniques déforment localement et globalement la pièce.

Les déformations locales.

Les déformations locales se situent au niveau des points d'appui et des lieux de bridage. Généralement, ces déformations restent dans le domaine élastique. Lorsque les surfaces de posage ou de bridage sont déformées plastiquement, la pièce conserve ces déformations après l'usinage. La qualité des surfaces de posage ou de bridage n'est plus assurée et la pièce est mise au rebut. Pour limiter les déformations locales, il est nécessaire de limiter la pression de contact au niveau de la prise de pièce. La solution consiste à augmenter l'aire de contact entre les éléments du montage d'usinage et la pièce. Ceci implique une orientation parfaite entre la géométrie de l'appui appartenant à la pièce et celle appartenant au montage d'usinage. Les constructeurs d'éléments modulaires proposent des éléments technologiques assurant un auto-alignement de la géométrie du montage d'usinage en contact avec la pièce pour lever cette contrainte.

La qualité intrinsèque de l'usinage n'est pas remise en cause par les déformations locales. En effet, la pièce n'est pas déformée à l'endroit où est effectué l'usinage. La qualité intrinsèque des surfaces usinées est alors indépendante des déformations localisées au niveau de la prise de pièce. La position des surfaces usinées dans le référentiel lié à la pièce est directement perturbée par les déformations locales. En effet, l'outil réalisant l'usinage et le montage d'usinage étant positionnés dans le référentiel de la machine-outil, la position du référentiel de la pièce étant tributaire des déformations locales, les surfaces usinées ne sont plus positionnées correctement dans le référentiel pièce. Sur la figure 1.10, l'outil est réglé pour obtenir la cote B. Comme la pièce se déforme au niveau du posage, nous obtenons, après l'usinage, la cote A qui est sensiblement supérieure de la valeur de la déformation locale par rapport à la valeur visée B.

20


bride

appui

pièce

déformation

BA

Figure 1.10 : incidence des déformations locales sur les cotes obtenues : B réglée, A réalisée.

Les déformations globales

Les déformations globales affectent l'ensemble de la pièce qui est déformée pendant son usinage. Après l'usinage, les efforts de bridage sont supprimés et les déformations sont annulées car elles sont généralement dans le domaine élastique. La pièce reprend alors sa forme initiale. La qualité intrinsèque des surfaces usinées dans cette sous-phase et les relations entre les différentes entités d'usinage risquent d'être remises en cause. Prenons, par exemple, l'usinage de la pièce, appelée support intermédiaire, qui est entièrement réalisée dans une seule sous-phase sur un centre d'usinage trois axes. La mise en position de la pièce est réalisée à l'aide d'un appui plan localisé sur trois points d'appui, d'un centreur et d'un locating. Le serrage est assuré à l'aide de deux brides (figure 1.11). Sous l'action du bridage, la pièce fléchie. Après usinage et débridage, la pièce reprend sa forme initiale. La relation entre les deux surfaces planes n'est plus respectée.

S Sbonne mauvaise

Figure 1.11 : incidence des déformations globales sur la qualité de l'usinage du support intermédiaire.

L'amplitude des déformations est essentiellement fonction de la rigidité de la pièce. Pour les pièces massives, l'amplitude des déformations reste faible et ne remet généralement pas en cause la qualité de l'usinage. Pour les pièces usinées à partir d'un brut moulé ou forgé, l'amplitude des déformations peut être importante et incompatible

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22 Chapitre 1

avec la qualité demandée. Pour limiter les déformations pendant l'usinage des pièces déformables, il est nécessaire de placer le serrage en face des appuis. Dans ce cas, l'incidence du bridage sur les déformations reste faible car l'effort de bridage est directement encaissé par l'appui. Les efforts de coupe génèrent eux aussi des déformations. Pour limiter ces déformations, il est nécessaire d'ajouter des supports qui sont placés aux endroits où l'amplitude de la déformation risque d'être importante. La figure 1.12 montre deux exemples d'utilisation de ces supports. Sur la figure de droite, le support est placé en face de la bride lorsque celle-ci ne peut pas être placée en face de l'appui. Sur la figure de gauche, le support est placé à l'endroit où les déformations sont les plus importantes tout en laissant l'espace nécessaire au dégagement des outils de coupe. Les supports n'assurent pas le posage de la pièce. Pour éviter de modifier la mise en position de la pièce et de générer un posage hyperstatique, les supports sont réglables. Ce réglage est effectué à chaque chargement de la pièce sur le montage d'usinage.

bride

appuisupport

bride bride

appuiappui support

Figure 1.12 : rôle des supports

1.3. La gamme d'usinage

1.3.1. Définitions

Les définitions suivantes sont issues du séminaire organisé par le groupe de travail GAMA. Elles sont consignées dans les actes de ce séminaire et notamment dans [Bourdet 90]. Depuis, les définitions ont légèrement évolué [Brissaud 92a].

Opération d'usinage : l'opération d'usinage est le travail d'un outil qui produit une et une seule forme géométrique.

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Par exemple, un perçage au foret, une passe de surfaçage à l'aide d'une fraise sont des opérations d'usinage.

Processus d'usinage : un processus d'usinage est une suite ordonnée sécable d'opérations d'usinage.

Il représente l'enchaînement des opérations d'usinage. L'ordre des opérations d'usinage est impératif mais il est possible d'intercaler des opérations d'usinage appartenant à d'autres processus d'usinage.

Sous-phase d'usinage : une sous-phase d'usinage est un processus d'usinage réalisé sans démontage de la pièce, ni transfert du couple (pièce, montage d'usinage) d'une broche machine à une autre.

Une sous-phase représente l'enchaînement des opérations d'usinage réalisées sur une machine-outil donnée avec une prise de pièce identique pendant toute la durée de l'usinage correspondant à la sous-phase.

Le gammiste établit la gamme d'usinage à partir d'une description de la pièce à l'aide d'entités d'usinage.

Entité d'usinage : une entité d'usinage est une forme géométrique et un ensemble de spécifications pour lesquels un processus d'usinage est connu. Ce processus est quasi indépendant des processus des autres entités.

1.3.2. Les objectifs de la gamme d'usinage

Avant d'usiner une pièce, il est nécessaire de concevoir une gamme d'usinage. Il s'agit de déterminer la suite chronologique des opérations d'usinage permettant de passer d'une pièce brute à une pièce usinée de qualité désirée. Ce travail est effectué au bureau des méthodes, par un (ou plusieurs) expert appelé gammiste, à partir des données suivantes :

• les données relatives à la pièce. Il s'agit généralement d'un dessin représentant la pièce finie d'usinage ou d'un modèle CAO de cette pièce et d'informations complémentaires sous forme de texte qui sont :

la qualité des différentes surfaces de la pièce et leur positionnement,

le matériau constituant la pièce,

la présence éventuelle de traitement thermique ou de surface,

le procédé d'obtention de la pièce brute.

23

24 Chapitre 1

• les données économiques. Il s'agit du nombre de pièces à fabriquer, de la taille des lots et des délais de fabrication.

• les données technologiques. Il s'agit des machines-outils, des outils et des outillages disponibles. Les possibilités des machines-outils (cinématique, courses maximales et la qualité garantie pour la série de pièces) et des outils (volume de copeau maximal, direction de travail) sont parfaitement connues.

Pour concevoir la gamme d'usinage, le gammiste recherche l'ensemble des opérations d'usinage puis il organise les opérations d'usinage en sous-phases en choisissant les prises de pièce et les machines-outils. Il dispose alors des éléments permettant d'estimer le coût de la fabrication de l'ensemble des pièces de la série. Il étudie ensuite chaque sous-phase. Il s'agit de déterminer précisément les outils et les conditions de coupe associées, de calculer les trajectoires des outils, de concevoir les outillages comme les outils spéciaux et le montage d'usinage, de créer les programmes de commande numérique et de contrôle de la pièce en cours et en fin d'usinage.

Les différentes tâches réalisées par le gammiste pendant la conception de la gamme d'usinage sont assez délicates et nécessitent une bonne connaissance sur les moyens disponibles (machines-outils et les outils) et les actions à réaliser sur la pièce (opérations d'usinage, choix de prises de pièce, placement des traitements thermiques ...). Son principal travail consiste à prédire le processus d'usinage avec suffisamment de fiabilité de manière à garantir une production avec le minimum d'incidents. A l'heure actuelle, cette fiabilité est garantie grâce au savoir-faire du gammiste qui travaille de manière empirique à partir de sa propre expérience et à partir des données techniques et technologiques des différents constructeurs d'équipements.

24


1.3.3. Notre approche de conception de la gamme d'usinage

Nous avons formalisé au sein de notre laboratoire la connaissance qui intervient dans la conception des gammes d'usinage ainsi que la démarche adoptée par le gammiste. Nos travaux ont conduit à la réalisation d'un système expert PROPEL proposant une architecture de gammes d'usinage. Un moteur d'inférence a été développé pour résoudre ce problème [Tsang 87] et une expertise a permis de formaliser la connaissance notamment sous la forme de bases de règles de production [Brissaud 92a].

Les différentes tâches effectuées par le gammiste ne sont pas indépendantes les unes des autres. Nous avons mis en évidence trois niveaux dans la conception de la gamme d'usinage de la pièce (figure 1.13). Les différents choix effectués à un niveau donné ne devront pas remettre en cause les choix effectués au niveau précédent.

Le premier niveau consiste à choisir une stratégie de conception de la gamme d'usinage. La stratégie permet d'orienter la conception de l'architecture de la gamme d'usinage en mettant en avant les contraintes les plus fortes correspondant à la classe de problème que l'on veut résoudre. La stratégie est choisie en fonction de critères morphologiques (pièce de type prismatique, de type plaque, de type poutre, de révolution, ...), de critères économiques (production unitaire, par lot ou en continu sur une chaîne transfert), de critères de résistance (pièce déformable ou rigide), de critères d'usinage (pièce subissant une grosse ébauche, présence de traitements thermiques, ...).

Le deuxième niveau consiste à concevoir une architecture de gamme. Il s'agit de déterminer les opérations d'usinage à réaliser et de les organiser en sous-phases. Le type de machine-outil, les types d'outils et les prises de pièce à mettre en oeuvre sont choisis pendant cette étape. A la fin de la conception de la gamme, le gammiste dispose des éléments lui permettant d'estimer le coût de la fabrication avec une bonne précision.

Une validation de l'architecture de la gamme d'usinage permet de s'assurer que celle-ci ne sera pas remise en cause par la suite. Cette validation consiste à effectuer une étude plus approfondie de l'architecture de la gamme proposée, sur l'obtention de la qualité, la faisabilité du brut, le comportement mécanique de la pièce et la capacité des machines-outils à respecter la qualité. Lorsque la solution n'est pas validée, la conception de l'architecture de la gamme est reprise en prenant en considération les contraintes mises en évidence pendant cette validation.

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26 Chapitre 1

CLASSE DU PROBLEME ET STRATEGIE

détermination de la classe du problème choix de la stratégie de résolution

ARCHITECTURE DE LA GAMME

détermination des opérations d'usinage choix des types de machines-outils choix des prises de pièce regroupement des opérations d'usinage

Etude de sous-phase ordonnancement des opérations d'usinage choix des outils et des machines-outils détermination des trajectoires des outils Etude d'outillage conception du montage d'usinage conception du montage de contrôle

ETUDE DE L'USINAGE

Validationobtention de la qualité faisabilité du brut comportement de la pièce capabilité machine

Validation

accessibilité des outils

description de la pièce par entités d'usinage technique d'obtention de la pièce brute description des moyens de production

programme CN

DEVIS

ETUDE DU BRUTGESTION DE PRODUCTION

Figure 1.13 : la conception de la gamme d'usinage : une stratégie à trois niveaux

26


Le troisième niveau consiste à étudier chaque sous-phase. Il s'agit de préciser les outils de coupe, de calculer les conditions de coupe et les trajectoires de ces outils, de concevoir le montage d'usinage, d'ordonner les opérations d'usinage au sein de la sous-phase et de créer les programmes de commande numérique et de contrôle de la pièce.

La solution adoptée pour chaque sous-phase est validée en effectuant un calcul précis des risques de collision entre l'outil et le montage d'usinage ou la pièce. Un calcul supplémentaire permet de s'assurer que les courses et la puissance de la machine-outil sont suffisantes. Lorsque la solution proposée n'est pas validée, l'étude de la sous-phase est reprise en ajoutant les contraintes soulevées durant cette validation.

1.3.4. La prise de pièce dans le processus de conception de la gamme d'usinage

La prise de pièce intervient à chaque niveau de conception de la gamme d'usinage. Généralement, le choix d'une stratégie de conception de gamme d'usinage oriente la recherche de solutions de prise de pièce. Pour les stratégies d'ébauche, la prise de pièce doit être capable d'absorber des efforts de coupe importants. La qualité de la position de la pièce dans le référentiel de la machine-outil n'est pas le critère prioritaire pour le choix des prises de pièce associées aux sous-phases d'ébauche; cette qualité pourra, si nécessaire, être obtenue pendant les opérations de finition. Pour les stratégies de finition, la prise de pièce doit être compatible avec le respect des tolérances des relations mettant en position les entités entre elles.

La stratégie adoptée pour usiner les pièces déformables consiste à retenir une prise de pièce qui minimise les déformations. Cette contrainte conduit généralement à augmenter le nombre de sous-phases. En effet, l'usinage qui pose des problèmes du point de vue des déformations est isolé dans une sous-phase. Un regroupement de plusieurs opérations d'usinage dans la sous-phase complexifie l'optimisation de l'usinage et de la prise de pièce de manière à minimiser les déformations.

Au niveau de l'architecture de la gamme d'usinage, le gammiste organise les différentes opérations en sous-phases. Il mène simultanément la création du processus d'usinage et la sélection des surfaces appartenant à la pièce qui vont participer au posage et au bridage. Pour pouvoir prendre une décision sur le processus d'usinage, le gammiste analyse les conséquences de cette décision sur la prise de pièce. De plus, il effectue les calculs nécessaires permettant de valider sa solution de manière à proposer une architecture de gamme avec suffisamment de fiabilité.

Pendant l'étude de la sous-phase, le gammiste choisit les outils de coupe, calcule les trajectoires des outils de coupe et conçoit le montage d'usinage. L'intersection entre le

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28 Chapitre 1

volume enveloppe des outils de coupe le long de leurs trajectoires et le volume occupé par le montage d'usinage doit être vide. La conception du montage d'usinage et l'étude des trajectoires des outils de coupe doivent coopérer pour proposer une bonne solution. Cette démarche permet de proposer une solution acceptable du premier coup, évitant les allers et retours habituels entre le concepteur du montage d'usinage et celui qui étudie les trajectoires des outils à l'aide d'outils de FAO.

1.3.5. Compromis entre prise de pièce et gamme d'usinage

Pendant son travail, le gammiste éprouve de la difficulté à gérer l'ensemble des éléments évoluant dans l'espace de travail disponible sur la machine-outil (outils, pièce, montage d'usinage, copeaux, lubrification, ...). Les critères technico-économiques lui imposent de regrouper dans une même sous-phase un maximum d'opérations d'usinage. Ce regroupement conduit, le plus souvent, à l'impossibilité de trouver une prise de pièce adaptée ou à proposer une solution de prise de pièce correspondant à un montage d'usinage complexe ou dégradé. Le gammiste se trouve alors confronté à un dilemme : soit il propose un nombre minimal de sous-phases mais alors les prises de pièce sont complexes à mettre en oeuvre, soit il propose des prises de pièce simples et de qualité mais alors le nombre de sous-phases est plus important.

1.4. Nos travaux sur la gamme : PROPEL

Nos travaux sur la gamme d’usinage ont conduit à la réalisation d’un système expert PROPEL. Le gammiste décrit la pièce à l'aide d'entités d'usinage disponibles dans la bibliothèque d'entités d’usinage et de relations entre les différentes entités d’usinage. Il a aussi la possibilité de créer, de sélectionner ou de modifier les moyens de production disponibles dans l'atelier. A partir de ces données, le système expert propose automatiquement une liste d’architectures de gamme d'usinage au gammiste (figure 1.14).

28


EDITEUR

Gammiste

Expert

EDITEUR

INTE

RFA

CE

BIBLIOTHEQUE D'ENTITES ET DE RELATIONS

DESCRIPTION DE LA PIECE

BASES DE CONNAISSANCE

ExpertExpert

EDITEUR

SELECTION OU CREATION DE

L'ATELIERGammisteIN

TER

FAC

E

BIBLIOTHEQUE DE MACHINES ET D'OUTILS

UNITE DE CONCEPTION AUTOMATIQUE DE GAMMES

D'USINAGE

GAMME D'USINAGEGammiste

Figure 1.14 : utilisation de PROPEL

Le moteur d'inférence planifie en deux temps et organise un modèle de gamme à quatre niveaux (figure 1.15). Un ensemble de ressources possibles (outil, prise de pièce, machine-outil) est associé à chacun d'eux. Chaque niveau, sauf le plus bas, correspond à un partage de la ressource associée par toutes les actions des niveaux inférieurs. Le niveau le plus bas représente l'action élémentaire, c'est-à-dire l'usinage. Le niveau immédiatement supérieur, appelé outil-action, représente l'outil à mettre en oeuvre pour réaliser les opérations d'usinage qui lui sont liées; l'ensemble associé contient tous les outils possibles pour usiner cette ou ces opérations. Le troisième niveau, appelé appui-action, regroupe les outils en fonction de la prise de pièce possible pour l'usinage : l'ensemble associé contient toutes les prises de pièce possibles. Le niveau supérieur,

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30 Chapitre 1

appelé machine-action, regroupe les prises de pièce en fonction de la machine-outil utilisée pour l'usinage : l'ensemble associé contient toutes les machines possibles. Le processus d'usinage se lit horizontalement sur ce modèle.

PHASE MACHINE-ACTION

SOUS-PHASE APPUI-ACTION

OPERATION OUTIL-ACTION

USINAGE

avant

Figure 1.15 : modèle de gamme retenu dans Propel

Une étape d'initialisation permet d'associer des processus d'usinage et les moyens correspondants à chaque entité d'usinage; l'ensemble de toutes les gammes candidates est implicitement créé. Ensuite, une étape de contrainte organise la gamme complète de la pièce en fonction des contraintes technologiques et économiques. Les solutions non adaptées sont alors éliminées de l'ensemble des candidates. Un module de compromis gère les échecs et permet les retours arrières sur le plan courant. Les principes de fonctionnement retenus sont l'opportunisme, qui consiste à apporter des conseils dès que l'on peut et le moindre engagement qui consiste à apporter les conseils juste nécessaires. L'essentiel de l'expertise d'élaboration de gamme est consigné dans un ensemble de règles de production pondérées.

Le raisonnement adopté par PROPEL consiste à gérer l'ensemble des sous-phases sans imposer d’ordre chronologique et en s'assurant qu'il existe une solution de posage associée à chaque sous-phase.

PROPEL a été testé sur un ensemble de pièces industrielles. Les gammes générées sont tout à fait acceptables. Les limites de PROPEL sont directement liées au manque de connaissance sur les prises de pièce. En effet, la prise en compte du bridage et la gestion de l'encombrement du dispositif de bridage ne sont pas intégrées dans les contraintes d'élaboration des gammes d’usinage. Le deuxième point délicat pour l'utilisateur est la description de la pièce à l'aide d'entités d'usinage. En effet, PROPEL n'étant pas intégré dans un environnement CAO, certaines informations indispensables sont facilement oubliées par le gammiste. Seul un passage automatique des entités de conception aux entités d'usinage peut améliorer ce point.

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1.5. Etat de l’art extérieur

La plupart des études sur la prise de pièce en usinage, que nous avons trouvées dans la littérature, s'intéressent surtout à la résolution des différentes tâches à faire pour choisir une prise de pièce, indépendamment des différentes tâches à faire pour concevoir une gamme d'usinage. Cependant, quelques auteurs soulèvent la difficulté de coupler l'étude de la prise de pièce avec la conception de la gamme d'usinage. Ce couplage est généralement résolu en étudiant la conception de la gamme d'usinage et l'étude de la prise de pièce de manière séquentielle. Dans un premier temps, la gamme d'usinage est proposée, puis dans un deuxième temps, les prises de pièce les mieux adaptées aux sous-phases sont mises en place. Hargrove dans la review qu'il fait sur le sujet en 1994 arrive au même constat [Hargrove 94].

1.5.1. Les études sur les tâches de détermination de prise de pièce

Détermination des modèles de posage ou de bridage

Parmi les différents auteurs, Chou [Chou 89] et [Chou 94], Trappey [Trappey 94] et [Trappey 93], Menassa [Menassa 89] et [Menassa 91] proposent des méthodes et des modèles mathématiques, voire d'optimisation, pour passer d'une modélisation grossière représentant les surfaces assurant le posage et respectant le principe 3-2-1 à une modélisation plus fine de la prise de pièce représentant le lieu géométrique des points d'appui et des lieux de bridage. Le processus d'usinage réalisé avec cette prise de pièce et la trajectoire des outils de coupe sont des données qu'ils ne remettent pas en cause. Pour passer de la modélisation grossière de la prise de pièce au montage d'usinage, ils adoptent une démarche séquentielle (figure 1.16). Ils étudient, dans un premier temps, les modèles de posage et de bridage, puis, dans un deuxième temps, ils effectuent les choix technologiques liés au posage et au bridage et enfin, dans un troisième temps, ils choisissent les éléments physiques constituant l'ossature et placent l'ensemble de ces éléments.

Chou nous propose un calcul permettant de déterminer la séquence de bridage et l'effort de bridage à appliquer sur la pièce de manière à assurer son équilibre pendant toute la durée de l'usinage. Chaque opération d'usinage est modélisée par un effort de coupe et un moment. Cet effort et ce moment représentent l'action dominante de l'outil de coupe sur la pièce pendant l'opération d'usinage. Les opérations d'usinage traitées dans ces articles sont le perçage, l'alésage et le fraisage en bout. Les points d'appui et de bridage sont placés de manière à garantir l'équilibre de la pièce avant et pendant l'usinage. Il effectue l'équilibre de la pièce considérée comme un solide indéformable soumise à son poids, aux actions des outils de coupe et aux actions de la prise de pièce.

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32 Chapitre 1

Le lieu des points d'appui est calculé de manière à garantir une bonne stabilité, c'est-à-dire que chaque point d'appui exerce une force non nulle sur la pièce, et assure une mise en position isostatique de la pièce en vue de son usinage. Ensuite, il propose un ensemble de lieux de bridage et calcule l'incidence de chaque effort de bridage sur les points d'appui. Ce calcul permet de retenir les lieux de serrage les plus pertinents. De plus, une séquence de bridage permettant de garantir un respect de la mise en position de la pièce est proposée. Enfin, il étudie l'incidence des actions dues à la coupe sur l'équilibre de la pièce. Si l'équilibre n'est plus garanti, des supports sont ajoutés pour s'opposer aux efforts de coupe. La gestion des collisions entre le montage d'usinage et les outils de coupe n'est pas abordée dans ces articles.

étude du posage

étude du bridage

choix technologique du posage

choix technologique du bridage

choix et placement des

éléments

processus de la sous-phase trajectoires des outils de coupe

machine-outil

montage d'usinage Figure 1.16 : Algorithme général de conception du montage d'usinage [Chou 89]

Menassa propose un système basé sur des règles expertes permettant de placer les points d'appui. La direction et l'intensité des efforts de coupe sont des données de son système. Les six points d'appui sont placés de manière à créer un obstacle au

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mouvement possible de la pièce soumise aux efforts de coupe. De plus, les règles de l'isostatisme sont respectées et quelques règles permettent de garantir une bonne stabilité de la pièce pendant l'usinage. Ces règles permettent de définir, pour chaque point d'appui, un espace dans lequel doit se situer cet appui. Un calcul par éléments finis permet d'optimiser la position des points d'appui dans l'espace associé en minimisant les déformations élastiques de la pièce en cours d'usinage.

Trappey propose un système qui place les points d'appui et de bridage en effectuant l'analyse de la projection de la pièce sur la plaque de base. La pièce est assimilée à un solide indéformable. Le contour projeté de la pièce est décomposé en cellules. Les différentes informations concernant les parties projetées de la pièce constituent la sémantique associée à chaque cellule. Il s'agit principalement de la position de la surface suivant la direction de projection, de la qualité de la surface et de l'existence d'un usinage concernant cette surface. Un algorithme (figure 1.17) détermine, dans un premier temps, la position des points d'appui sur la plaque de base puis la position des points de bridage suivant la direction de projection. Dans un deuxième temps, il détermine la position des appuis et des bridages suivant une direction perpendiculaire à la direction de projection. Aucun appui, ni aucune bride ne sont placés sur les surfaces affectées par l'usinage. Cette condition limite les risques de collision entre les outils de coupe et les éléments constituant le montage d'usinage.

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34 Chapitre 1

étude de l'appui prépondérant de type plan

étude du bridage opposé à l'appui prépondérant

étude des appuis d'orientation et de la butée

étude du bridage opposé à l'appui d'orientation et à la butée

positionnement en altitude de

l'orientation et de la butée

liste des opérations d'usinage direction de l'appui prépondérant

modélisation de la prise de pièce Figure 1.17 : Algorithme de modélisation de la prise de pièce proposé par Trappey dans [Trappey 94]

Roy nous propose dans [Roy 94] un système qui permet de modéliser le posage et le bridage. La structure du système expert est représentée sur la figure 1.18. Un module d'entrée permet de renseigner de manière interactive les données sur la pièce, les différentes opérations d'usinage à réaliser, les trajectoires des outils coupants et l'orientation de la pièce dans le repère de la machine-outil. A partir de ces informations, le système identifie l'ensemble des surfaces de posage et de bridage en analysant la géométrie de la pièce. Pour chaque solution de posage et de bridage, un calcul permet de déterminer les positions des appuis et des dispositifs de bridage. Des outils d'analyse permettent, entre autres, soit d'effectuer un calcul par la méthode des éléments finis pour vérifier la compatibilité des déformations de la pièce avec les opérations d'usinage à réaliser, soit d'effectuer un calcul d'encombrement pour vérifier qu'il n'existe pas de collision entre le montage d'usinage et les outils de coupe. L'application de ces outils

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d'analyse permet de retenir une solution. Les composants du montage d'usinage sont alors sélectionnés et placés de manière automatique.

Informations géométrique, Informations sur l'usinage, Informations techniques, Informations physiques, etc

Information compléte sur le modèle de

production

Moteur d'inférence

Développement des options

exécution des règles

sélection des règles

évaluation des règles

Base de connaissances

connaissances pour sélectionner les surfaces de posage, bridage,

et de support

connaissances pour positionner les appuis, les brides et les

supports

sélection des composants du montage d'usinage

modules de calculs

acquisition de connaissances

configuration finale du montage d'usinage

outils d'analyseanalyse des déformations

analyse des collisions choix de la meilleure solution

Figure 1.18 : La structure du système proposé par Roy dans [Roy 94]

Caillaud dans [Caillaud 94] et [Caillaud 92] modélise le processus de conception du montage d'usinage en six étapes (figure 1.19). La première étape permet de renseigner le système sur la machine-outil et les différentes opérations d'usinage qui sont regroupées en sous-phases. Pour chaque sous-phase, il classe les surfaces potentielles de mise en position et associe à chacune d'entre elles une solution technologique (étape deux). A partir de ces solutions technologiques, les surfaces potentielles de maintien en position sont définies et classées pendant l'étape trois. Un calcul d'effort permet de définir les lieux de bridage et la solution technologique de maintien est choisie. Enfin, pendant l'étape quatre, les zones appartenant à la pièce qu'il faut soutenir à l'aide de support sont définies. Un choix technologique est aussi effectué pendant cette étape. Les deux derniers niveaux concernent le choix des éléments constituant le montage

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36 Chapitre 1

d'usinage. Ce modèle de conception est implanté dans un système expert appelé SEACMU dans le générateur NEXPERT OBJECT.

Choisir la machine-outil

mise en position

Grouper les surfaces à réaliser

Classer les faces potentielles de mise en position

Choisir la solution technologique pour chaque face d'appui

niveau fonctionnel

niveau technologique

Classer les faces de maintien possibles

sélection des sous-phases

maintien en position

niveau fonctionnel


Calculer les efforts de maintien et les points d'application

Choisir la solution technologique de maintien

niveau fonctionnel


soutienChoisir les zones à soutenir

Choisir la solution technologique de soutien

niveau physique

Positionner la pièce par rapport à la table

Choisir les éléments physiques répondant aux fonctions

mise en position maintien en position soutien

Choisir les éléments de liaison avec la tableniveau

physiqueliaison

Figure 1.19 : Modélisation du processus de conception des montages d'usinage dans [Caillaud 94]

Choix et placement des éléments technologiques du montage d'usinage.

Perremans dans [Perremans 94] propose un système informatique appelé IDEFIX qui permet de réaliser la conception de l'ensemble des montages d'usinage nécessaires à la fabrication d'une pièce prismatique. La démarche adoptée est séquentielle. Dans un premier temps, le système génère l'ensemble des sous-phases puis dans un deuxième temps, il détermine la prise de pièce adaptée à chaque sous-phase. La prise de pièce respecte le principe 3-2-1. Enfin, une matérialisation de chaque prise de pièce est calculée et le montage d'usinage correspondant est proposé à l'opérateur.

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Dans son article, Perremans s'intéresse plus particulièrement à la matérialisation de la prise de pièce en utilisant une technologie d'éléments modulaires à trous. Il propose une modélisation des éléments modulaires sous la forme d'objets ayant les attributs suivants :

• les caractéristiques générales de l'élément. Il s'agit de sa hauteur, de l'effort encaissable par l'élément et de la disponibilité de celui-ci au sein de l'entreprise.

• les caractéristiques de contact. Elles traduisent les possibilités de contact entre la pièce et l'élément.

• les caractéristiques d'assemblage. Elles traduisent les possibilités d'assemblage de l'élément sur un autre élément ou sur la plaque de base

• les caractéristiques de fixation. Elles traduisent les possibilités de fixer l'élément sur un autre élément ou la plaque de base.

Chaque fonction élémentaire de la prise de pièce est matérialisée par un assemblage d'éléments modulaires appelé macro. Ces macros sont ensuite placées sur la plaque de base. La construction des macros permet de respecter les contraintes de position de la pièce dans le repère de la machine-outil. Le système détermine d'abord la macro assurant l'appui d'orientation. Cette macro est placée sur la plaque de base. La macro assurant la butée est déterminée puis placée sur la plaque de base. Pour assurer la correspondance avec les trous de la plaque de base, la pièce et la macro peuvent être déplacées suivant les axes de la machine-outil. Enfin, les macros assurant l'appui prépondérant et le bridage sont déterminées et placées sur la plaque de base. Le placement des différentes macros est effectué de manière à garantir le passage des outils de coupe et d'éviter les interférences entre les macros et la pièce.

Bandyopadhyay propose dans [Bandyopad. 93], l'étude physique et technologique d'un montage d'usinage permettant d'usiner des pièces à partir de profilés marchands de section circulaire ou carrée. La géométrie de la pièce correspond à un profil extrudé suivant l'axe du profilé. L'usinage s'effectue sur un centre d'usinage trois axes. Pour pouvoir atteindre toutes les faces de la pièce, le dispositif qu'il a conçu assure la rotation de la pièce autour de l'axe du profilé. La prise de pièce est assurée par un mandrin. Elle est placée sur la partie du profilé qui n'est pas affectée par l'usinage. La dernière opération d'usinage consiste à séparer la pièce de la barre par une opération de sciage. Les problèmes de position de la pièce dans le référentiel de la machine-outil sont résolus car l'ensemble de la pièce est réalisé dans une seule sous-phase.

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38 Chapitre 1

Benhabib et Shirinzadeh proposent dans [Benhabib 91] et [Shirinzadeh 93] des solutions technologiques permettant d'automatiser la conception du montage d'usinage et le chargement/déchargement de la pièce sur le montage d'usinage. Benhabib nous propose des capteurs et des actionneurs pour brider la pièce de manière automatique. Shirinzadeh nous propose des éléments technologiques de posage et de bridage qui peuvent être manipulés par un robot. Le robot est capable d'assembler, lui-même, les différents éléments du montage d'usinage, puis de les régler.

Markus, Whybrew et Ngoi proposent une stratégie pour choisir et placer les éléments physiques constituant l'ossature du montage d'usinage. Le montage d'usinage est réalisé à l'aide d'éléments modulaires. Les entrées de leur système sont le modèle complet de la prise de pièce, c'est-à-dire les lieux des points d'appui et de bridage, et l'ensemble des trajectoires des outils de coupe. Markus dans [Markus 90] conçoit le montage d'usinage en deux étapes. Pendant la première étape, il choisit les éléments modulaires les mieux adaptés. Dans la deuxième étape, il les positionne sur la plaque de base. Les différentes solutions de placement et les différentes combinaisons des différents éléments sont représentées sous la forme d'un arbre ayant des branches de type "ou" et des branches de type "et". L'optimisation du placement des différents éléments est assurée par la méthode du recuit simulé. Whybrew et Ngoi dans [Whybrew 92], [Ngoi 93] et [Ngoi 94] s'intéressent à la conception de l'ossature du montage d'usinage. Les éléments physiques en contact avec la pièce, c'est-à-dire les appuis et les brides, sont placés dans le référentiel de la pièce par l'opérateur et sont une des données de leur système. Ils adoptent une stratégie permettant d'assembler les appuis et les brides sur la plaque de base à l'aide d'éléments disponibles. Dans un premier temps, ils choisissent les éléments modulaires permettant d'assembler les appuis, assurant la liaison prépondérante, sur la plaque de base. Ensuite, les brides et les autres appuis sont assemblés, soit directement sur la plaque de base, soit sur les différents éléments déjà placés. Pour gérer les collisions entre les différents éléments du montage d'usinage et la pièce, ils proposent une modélisation des éléments sous la forme de prismes codés.

Ingrand dans [Ingrand 87] nous présente une approche de la conception fonctionnelle utilisant des techniques d'intelligence artificielle. Un raisonnement fonctionnel permet de choisir les surfaces fonctionnelles puis de choisir les éléments technologiques standards. Les différentes fonctions à assurer sont toutes indépendantes entre elles. A chaque fonction correspond un élément technologique. Le placement de ces éléments est assuré par inférence de forme. Un système expert appelé SERF est implanté. La conception des montages d'usinage nous est présentée comme un exemple d'application du système SERF.

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Siong dans [Siong 92] a développé un système expert appelé MOFDEX permettant de concevoir un montage d'usinage en utilisant des éléments modulaires. Une bibliothèque d'éléments modulaires est stockée dans le système. L'utilisateur décrit la pièce en utilisant des entités d'usinage et des entités de brut qui sont pré-définies dans le système et la machine-outil utilisée. Le système regroupe les différentes opérations associées aux entités d'usinage en sous-phases puis détermine les outils associés à chaque opération d'usinage et calcule les trajectoires de ces outils. Le système recherche alors une prise de pièce adaptée à chaque sous-phase, choisit les éléments constituant le montage d'usinage et construit le montage d'usinage. La gestion des collisions est assurée par un calcul utilisant les opérations booléennes disponibles dans l'environnement CAO dans lequel l'opérateur visualise la solution. Il a alors la possibilité de modifier la solution en déplaçant certains éléments constituant le montage d'usinage avant de valider la solution. Cet article est assez descriptif. On ne sait pas ce qui est réellement effectué de manière automatique.

Pham dans [Pham 91] propose un système appelé AUTOFIX qui permet de concevoir le montage d'usinage à partir de la géométrie de la pièce et de l'organisation de la sous-phase. Le système est intégré dans un environnement CAO. Des règles expertes permettent de choisir les surfaces de posage et de bridage. Un calcul par éléments finis permet de placer des supports pour limiter les déformations de la pièce. Le système choisit et place les différents éléments constituant le montage d'usinage. Une visualisation graphique est alors proposée à l'opérateur.

Hirsch nous propose, dans [Hirsch 94], un système appelé MCOES qui permet de concevoir un montage d'usinage assurant la prise de pièce de l'ensemble des pièces appartenant à une famille de pièces. Pour chaque famille, l'utilisateur conçoit de manière interactive un montage d'usinage pour une des pièces de cette famille. Le système adapte automatiquement la solution à l'ensemble des pièces de la famille. Les éléments constituant le montage d'usinage sont alors remis en position automatiquement en prenant en compte les contraintes technologiques et les risques de collision avec les outils coupants. La notion de famille de pièces est limitée aux pièces de même géométrie avec un changement dans les différentes dimensions de la pièce.

Rong et Nee dans [Rong 93], [Nee 91a] et [Nee 91b] conçoivent les montages d'usinage en utilisant une approche par variantes. Les auteurs estiment que l'analyse géométrique de la pièce est la principale démarche pour déterminer les prises de pièce. Les informations relatives aux prises de pièce sont structurées en trois niveaux. Il s'agit des surfaces appartenant à la pièce et de l’appartenance de celles-ci à l'usinage au posage et au bridage, des attributs géométriques et de qualité attachés à ces surfaces et aux

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40 Chapitre 1

relations positionnant ces surfaces entre elles. Ces informations sont codées de manière à pouvoir les retrouver dans la base de données.

La conception des montages d'usinage permettant de positionner et maintenir une nouvelle pièce en vue de son usinage, est réalisée en analysant la géométrie de celle-ci et de la gamme d'usinage. La figure 1.20 nous montre l'algorithme permettant de réaliser cette conception. L'analyse de la géométrie de la pièce et de la gamme d'usinage permet de coder les informations relatives à cette nouvelle étude. Une analyse de similarité permet de retrouver les informations disponibles dans la base de données sur les prises de pièce. Un montage d'usinage, disponible dans la base de données, adapté à cette nouvelle étude est alors proposé. Si les informations disponibles répondent partiellement au problème posé, une base de règles permet d'assister l'opérateur dans la conception du montage d'usinage. Cette nouvelle solution permet d'enrichir la base de données.

La modélisation de la prise de pièce.

Nnaji, et Cabaday proposent une modélisation de la prise de pièce en utilisant une approche cinématique. Nnaji dans [Nnaji 88] et [Nnaji 90] assimile la pièce à un prisme. Il propose un raisonnement permettant de modéliser la prise de pièce en analysant la parité du nombre de faces du prisme modélisant la pièce. L'inventaire des différents efforts exercés sur la pièce permet de vérifier l'équilibre de la pièce sur ses appuis et de conclure sur l'unicité de la position de la pièce dans le référentiel de la machine-outil. Le passage d'une pièce de géométrie complexe à une modélisation sous la forme d'un prisme n'est pas abordé et ne parait pas aisé. [Cabaday 90] propose un modèle qui permet d'évaluer les efforts exercés par le montage d'usinage sur la pièce.

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géométrie de la pièce

surfaces à usiner

informations générales

surfaces de posage - plans - trous - profils extérieurs

surfaces de bridageattributs des surfaces relations entre surfaces

procédure de codage

analyse de similaritébase de données

de montage d'usinage similaire ?

retrouve la conception du montage d'usinage

nouvelle conception de montage d'usinage

base de données

des composants

base de règles

documentation du montage d'usinage

nonoui

Figure 1.20 : L'algorithme d'extraction des entités de prise de pièce [Rong 93]

Liu propose dans [Liu 94] une stratégie permettant de placer les supports. Il modélise les actions exercées par les outils de coupe sur la pièce pour pouvoir calculer les déformations des parois usinées. Le nombre et le placement des supports sont déterminés de manière à minimiser les déformations.

Cutkosky et Donoghue modélisent le contact entre la pièce et le montage d'usinage. Cutkosky dans [Cutkosky 91] étudie le frottement entre la pièce et le montage d'usinage. Il calcule les surfaces limites de friction qui permettent d'assurer l'équilibre de la pièce lorsqu'elle est soumise aux efforts de coupe. Donoghue [Donoghue 94] modélise les pressions et les déformations au contact pièce-montage d'usinage.

Jiang et Wu proposent une modélisation de la prise de pièce en utilisant la technologie de groupe. Wu dans [Wu 93] modélise la pièce par un squelette. Seuls des critères

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42 Chapitre 1

géométriques permettent de définir le squelette. Les différents squelettes et les prises de pièce associées sont codés puis sauvegardés dans la base de données. A chaque nouvelle pièce est associé un squelette. L'analyse de ce squelette permet de retrouver la solution de prise de pièce la mieux adaptée dans la base de données. Jiang dans [Jiang 88] propose de coder et de retrouver les solutions en utilisant la logique floue.

1.5.2. L'interaction entre prise de pièce et conception de gamme d'usinage

La conception de la gamme d'usinage et la conception de la prise de pièce sont généralement traitées de manière séparée. Vue la complexité pour résoudre simultanément les problèmes de gamme et les problèmes de prise de pièce, Boerma, Sakurai et Sermsuti-Anuwat abordent les deux tâches de manière séquentielle. Ils conçoivent, dans un premier temps, la gamme d'usinage puis recherchent pour chacune des sous-phases la prise de pièce la mieux adaptée. Cette résolution conduit généralement à gérer des échecs dus à l'absence d'une prise de pièce adaptée pour chaque sous-phase : des retours arrière coûteux sont alors nécessaires.

Boerma dans [Boerma 88], [Boerma 89] et [Boerma 90] conçoit la gamme à partir de l'analyse de la cotation de la pièce. La pièce est décrite par entités d'usinage et relations de positionnement entre elles. Chaque relation fait appel à deux entités dont l'une est considérée comme référence. Il définit un facteur de tolérance pour chaque entité d'usinage qui traduit le petit déplacement possible de la géométrie appartenant à chaque entité dans le référentiel de la pièce. Ce déplacement est compatible avec l'ensemble des relations concernant l'entité d'usinage. Pour chaque relation, seule l'entité qui n'est pas considérée comme référence est affectée par le facteur de tolérance. Ce facteur de tolérance permet de classer les relations en fonction de leur difficulté d'obtention de la qualité. Ensuite, les opérations d'usinage sont regroupées et ordonnées en sous-phases. La stratégie adoptée consiste à concevoir la gamme d'usinage en regroupant le maximum d'opérations d'usinage dans chaque sous-phase tout en assurant le respect des tolérances sur les relations entre entités (figure 1.21). La configuration choisie de la machine-outil et l'accessibilité des outils coupants aux entités d'usinage contraignent les regroupements. La détermination de toutes les sous-phases est menée en même temps. Lorsque l'ensemble des sous-phases est déterminé, Boerma s'intéresse à la prise de pièce qu'il étudie sous-phase par sous-phase. Il choisit un posage en analysant les relations entre les entités et en s'assurant que la solution respecte les règles de l'isostatisme. Un bridage est ensuite déterminé. Si aucune solution n'est trouvée, il recommence la conception de la gamme en ajoutant une ou plusieurs contraintes. Cette démarche conduit généralement à gérer de nombreux retours arrière. Ce travail a permis la création d'un module informatique appelé FIXES qui s'insère dans

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un système flexible de génération automatique de gammes appelé PART [Van Houten 91].

création de la gamme

conception de la prise de pièce

réalisation du montage d'usinage

étude des relations géomètriques

choix des directions d'usinage

choix de la configuration de la machine-outil

regroupement des opérations d'usinage

ordonnancement des opérations

étude des relations géomètriques

choix des surfaces de posage

choix de la technologie de posage

choix des surfaces de bridage

choix de la technologie de bridage

usinage des éléments spécifiques

assemblage des éléments

réglage

ensemble de sous-phases

pour chaque sous-phase

Figure 1.21 : Algorithme proposé dans [BOE90]

Sakurai dans [Sakurai 92] génère dans un premier temps les directions d'usinage pour chaque entité d'usinage décrivant la pièce. Ensuite, il sélectionne la direction d'usinage de la sous-phase et les différentes opérations réalisées dans la sous-phase. La géométrie intermédiaire de la pièce et les volumes de matière à enlever sont alors calculés. Il choisit un posage et un bridage compatibles avec les trajectoires des outils de coupe de

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44 Chapitre 1

manière à éviter les collisions et à respecter les tolérances des relations entre entités. Si aucune solution n'est trouvée, un retour arrière est effectué en modifiant la sélection de la direction d'usinage. Un calcul des efforts de bridage et de déformations de la pièce permet de définir et de placer les supports.

Sermsuti-Anuwat propose dans [Sermsuti-A. 95] un système appelé CAPPFD qui conçoit la gamme d'usinage, les prises de pièce et calcule les différentes tolérances de fabrication. Son système permet de gérer l'usinage des surfaces planes, des marches et des rainures sur une pièce prismatique. La démarche adoptée pour concevoir la gamme consiste à effectuer d'abord les surfaces planes puis les marches et enfin les rainures. Le regroupement des opérations d'usinage en sous-phases est effectué à partir des critères suivants : le respect des relations entre entités, l'accessibilité aux usinages et la possibilité de reprise sur la surface usinée. A partir de la géométrie de la pièce finie, le système détermine la prise de pièce adaptée pour la dernière sous-phase. Le système calcule la géométrie intermédiaire et une prise de pièce est déterminée pour l'avant dernière sous-phase. Le raisonnement continue jusqu'à obtenir la géométrie de la pièce brute.

Cette approche de conception ascendante des gammes, permettant d'usiner des pièces de révolution en tournage, est aussi adoptée par Mognol dans [Mognol 94]. Elle se fait de la pièce finie vers le brut. L'étude d'un état intermédiaire de la pièce permet de concevoir l'ensemble des états immédiatement antérieurs envisageables. L'ensemble des gammes potentielles peut être représenté par un graphe construit par itération jusqu'à l'obtention d'un état acceptable comme brut. Chaque case du graphe représente une sous-phase avec le posage envisagé, l'usinage à effectuer et l'état intermédiaire à obtenir (figure 1.22). Des critères permettent d'évaluer les solutions à chaque état intermédiaire. Seules les solutions ayant une note suffisante sont retenues. Cette procédure permet d'éliminer progressivement les processus d'usinage médiocres, de conserver et de classer les bons processus d'usinage. La gamme d'usinage ayant obtenu la meilleure note est alors proposée comme solution finale. Sabourin dans [Sabourin 95] propose un système automatique de conception de gammes d’usinage. Le raisonnement s’appuie sur une analyse des tolérances et de la cotation entre entités pour proposer un processus d’usinage.

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Figure 1.22 : modélisation de l'ensemble des gammes d'usinage

Young dans [Young 91] propose une stratégie permettant de concevoir la gamme d'usinage des pièces prismatiques en deux temps. Dans le premier temps, il usine les surfaces participant à la prise de pièce en choisissant une prise de pièce de type étau. Dans le deuxième temps, il réalise les différentes opérations d'usinage en se positionnant sur les surfaces qu'il vient de réaliser spécialement. Les sous-phases sont conçues en prenant en considération la cotation, la quantité de matière à enlever, l'accessibilité aux surfaces à usiner et la gestion des collisions entre les outils et la prise de pièce.

Dong dans [Dong 91] nous présente les différentes descriptions d'une pièce à l'aide d'entités. La pièce est décrite à l'aide d'entités de conception et d'entités d'usinage. Il soulève le problème de la gestion de l'état intermédiaire de la pièce en cours d'usinage : ce sont les attributs des entités d'usinage, qui permettent de définir l'état intermédiaire de la pièce. La gamme d'usinage est conçue à partir des entités d'usinage. La connaissance de la sous-phase permet d'évaluer l'état intermédiaire de la pièce. Ensuite, il sélectionne les éléments de posage. Ces éléments sont alors placés de manière à respecter les règles de l'isostatisme et de laisser un espace suffisant aux outils de coupe. De plus, une étude des efforts de coupe permet de placer les éléments de posage de manière à créer un obstacle au mouvement supposé de la pièce. Le bridage de la pièce n'est pas abordé dans cet article.

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46 Chapitre 1

1.6. Notre approche vis-à-vis de la prise de pièce

Nous avons vu que, dans la littérature, les auteurs ont choisi de s’attaquer aux problèmes de gamme d’usinage et de prise de pièce par :

• une résolution d’une tâche de gamme d’usinage ou de prise de pièce de manière isolée des autres. On peut se demander si, pour certains auteurs, les données proposées pour une tâche sont bien des données industriellement disponibles à cet instant là.

• une résolution découplée, voire indépendante, des problèmes de conception de gammes d’usinage et des prises de pièce. Les différents travaux que nous avons menés sur la conception de gammes d'usinage mettent en évidence un couplage entre le choix de la prise de pièce et la conception de l'architecture de la gamme.

La démarche que nous avons adoptée et implantée, dans un premier temps, dans PROPEL et poursuivie dans cette étude, permet :

• de poser et résoudre les différentes tâches de gamme d’usinage et de prise de pièce de manière globale et liée.

• de mener simultanément les deux tâches de gamme d’usinage et de prise de pièce et ainsi de prendre en considération les interactions entre elles.

Nous nous intéressons plus particulièrement à l'étude des prises de pièce. Notre travail consiste à mettre à la disposition du gammiste toutes les informations pertinentes pour qu'il choisisse au mieux la prise de pièce pour l'usinage. Ces informations existent avant ou se construisent pendant la conception de la gamme d'usinage. Ce travail a permis la création d'un outil informatique permettant d'assister le gammiste en lui proposant l'ensemble des prises de pièce potentielles pour chacune des sous-phases qu'il met en place. La formalisation de la connaissance sur les prises de pièce permet d'enrichir la connaissance de conception des gammes d'usinage et doit être intégrée dans un système de conception de gammes.

Cette connaissance ainsi dégagée permet d'envisager autrement les relations entre le métier d'usinage et les autres métiers intervenant dans la conception du produit. Une conception de pièce qui ne laisse pas la possibilité d'une bonne prise de pièce pour l'usinage est une mauvaise conception. Les informations sur les possibilités de prises de pièce sont les bienvenues tout au long de la conception. Cette approche de conception

46


intégrant la connaissance des différents métiers intervenant dans la vie du produit permet au concepteur de proposer un produit qui ne sera pas remis en cause par les différents fabricants. L'outil d'assistance que nous avons développé permet d'informer le concepteur sur l'existence de prise de pièce adaptée à l'usinage de la pièce. Il devrait à terme lui proposer des solutions constructives permettant d'assurer une prise de pièce correcte pour l'usinage.

47

48 Chapitre 2

48

Le modèle entité de prise de pièce 49

2. Le modèle entité de prise de pièce

Une entité de prise de pièce est une forme géométrique et un ensemble de spécifications pour lesquels des qualités de posage et de bridage sont reconnues [Paris 94]. Elle permet d'assurer les fonctions de posage et de bridage.

Dans ce chapitre, nous définissons les attributs de l'entité de prise de pièce. Nous étudions le modèle entité de prise de pièce en analysant successivement le modèle d'appui, le modèle de posage qui est une combinaison d'appuis, le modèle de bridage, l'ensemble des entités d'usinage accessibles pour un appui et un bridage donné et le comportement mécanique du système pièce/montage d'usinage/outil de coupe. Enfin, nous mettons en évidence la nécessité d'assurer la cohérence entre les modèles manipulés par le gammiste.

Dans ce travail, nous nous intéressons aux prises de pièce pendant la conception de la gamme d’usinage. Il s’agit donc de mettre en évidence les caractéristiques de la prise de pièce utiles pour le raisonnement du gammiste. Nous ne cherchons pas à modéliser finement le comportement réel du système pièce/montage d’usinage/outil de coupe. Nous pouvons donc nous permettre une modélisation simplifiée de ce comportement vis-à-vis de la réalité.

Dans ce contexte de conception de gammes d’usinage, nous cherchons à mettre en évidence des indicateurs que le gammiste interprète en actions de conception. Il s'agit de respecter les données disponibles au moment où ces résultats sont intéressants à interpréter pour prendre la bonne décision. Ces données sont alors qualitatives ou

49

50 Chapitre 2

définies seulement dans un intervalle de valeurs possibles. L’approche que nous préconisons cherche à figer le moins possible les paramètres d’usinage de manière à garder le maximum de latitude dans les actions suivantes qui conduiront à la définition complète de la gamme d’usinage.

Le raisonnement que nous menons à ce stade est encore fortement qualitatif. Nous adoptons une modélisation du comportement du système pièce/montage d’usinage/outil de coupe adapté à ce niveau de raisonnement. Jusqu’à maintenant, nous avions traduit ces indicateurs sous la forme de règles de production heuristiques. Nous cherchons ici à évaluer numériquement ces indicateurs de manière à pouvoir raisonner sur leurs évolutions.

Le cadre de l’étude nous permet donc de proposer un modèle entité de prise de pièce s’appuyant sur un modèle d’appui qui fait l’hypothèse que les contacts pièce appui sont localisés en des lieux appelés points d’appui. Nous sommes conscients que ce modèle ne représente pas la réalité de ces contacts.

2.1. Modèle d'appui

Un posage est composé d'un ensemble d'appuis. Un appui est caractérisé par :

• un type d'appui,

• une direction d'appui,

• un repère d'appui,

• un torseur cinématique d'appui,

• une étendue d'appui,

• un lieu des points d'appui,

• une réaction d'appui,

• une qualité d'appui,

• une accessibilité à l'appui.

2.1.1. Le type d'appui

Les différents appuis utilisés en usinage [Brissaud 92a] et [Paris 92] sont de type plan, de type pivot glissant, de type linéaire rectiligne, de type linéaire annulaire et de type ponctuel (figure 2.1). Les appuis de type plan et linéaire rectiligne font appel soit à une

50


seule surface, soit à plusieurs surfaces de normales parallèles. L'appui pivot glissant fait appel soit à une seule surface cylindrique, soit à deux surfaces cylindriques de même axe.

2.1.2. La direction d'appui

La direction d’accostage représente la direction du mouvement de la pièce au moment où l’opérateur la met en contact avec l’appui

Pour les appuis de type plan, linéaire rectiligne et ponctuel, nous définissons la direction d'appui par la normale à la surface d'appui. Elle est orientée du côté libre de l’appui. Elle représente donc l'opposé de la direction d'accostage de la pièce sur l'appui (figure 2.2).

Pour les appuis de type pivot glissant et linéaire annulaire, la direction d'appui est définie par l'axe de la surface de l'appui. Elle est orientée arbitrairement. La direction d'accostage est nécessairement perpendiculaire à l'axe de la surface d'appui (figure 2.2).

1

3

2direction d'appui direction d'accostage

1R4

2

R2

R3

R1

direction d'appui

direction d'accostage

Figure 2.2 : direction d'appui pour les appuis de type plan et pivot glissant

2.1.3. Le repère d'appui

Nous associons un repère à chaque appui (figure 2.1). L'axe z caractérise la direction d'appui. Il s'agit de la normale à la surface appartenant à l'appui pour les appuis de type plan, linéaire rectiligne et ponctuel et de l'axe pour les appuis de type pivot glissant et linéaire annulaire. L'axe x est orienté suivant la plus grande dimension de l'appui de type plan et linéaire rectiligne. Pour l'appui de type ponctuel, il est défini arbitrairement dans le plan tangent à l'appui. L'axe y est défini de manière à obtenir un repère orthonormé direct. Pour les appuis de type pivot glissant et linéaire annulaire, l'axe x et l'axe y sont dans un plan perpendiculaire à l'axe de la surface de l'appui. L'orientation des axes est définie par les points d'appui. L'origine du repère est le centre géométrique de l'appui.

51

52 Chapitre 2

type linéaire rectiligne type ponctuel

type linéaire annulaire type pivot glissant

type plan

1 2 3

1

2

3

xy

xz

L

o

o

1 2

x

y

o

1 2

xz

oE

1

1

xy

xz

o

o

1

2 2

1

x

y

o

y

zo

r

34

1 2 1 2

3 4xy y

z

r

o o

L

ΩxΩyΩz00Vz

00

Ωz00

Vz

00ΩzVxVy0

0ΩzVxVy0

ΩxΩyΩzVxVy0

(o,x,y,z) (o,x,y,z) (o,x,y,z)

(o,x,y,z)(o,x,y,z)

Ωx

Figure 2.1 : Les différents types d'appui

2.1.4. Le torseur cinématique d'appui

Le torseur cinématique caractérise les mouvements impossibles et possibles de la pièce sur l'appui (figure 2.1); il s'agit des six mouvements possibles d'un solide dans l'espace (trois rotations autour des axes x, y, et z, trois translations suivant x, y, z, notées respectivement Ωx, Ωy, Ωz, Vx, Vy, Vz). L'appui de type plan élimine trois degrés de liberté; la rotation Ωx et Ωy et la translation Vz sont nulles. L'appui de type linéaire rectiligne élimine deux degrés de liberté; la rotation Ωy et la translation Vz sont nulles. L'appui de type ponctuel élimine un degré de liberté; la translation Vz est nulle. L'appui de type linéaire annulaire élimine deux degrés de liberté; les translations Vx et Vy sont nulles. L'appui de type pivot glissant élimine quatre degrés de liberté; les rotations Ωx et Ωy et les translations Vx et Vy sont nulles.

52


2.1.5. L'étendue d'appui

Les contacts entre la pièce et le montage d'usinage sont généralement localisés. Les règles de l'isostatisme déterminent le nombre de points d'appui associés à chaque appui. Il est égal au nombre de degrés de liberté supprimés. L'étendue d'appui est déterminée par les distances entre les points d'appui. L'étendue des appuis de type plan, linéaire rectiligne, linéaire annulaire et pivot glissant est respectivement caractérisée par les distances L et l, la distance E, le rayon r , le rayon r et la longueur L (figure 2.1).

2.1.6. Le lieu des points d'appui

Nous faisons l’hypothèse que les contacts pièce-prise de pièce sont localisés aux points d’appui et que le nombre de points d’appui est égal au nombre de degrés de liberté supprimés par l’appui. Le placement des points d'appui est effectué de manière à respecter les contraintes suivantes :

• respecter l'isostatisme. La position des points d'appui respecte aussi les règles de l'isostatisme [Padilla 78]. Par exemple, les trois points d'appui associés à un appui plan ne doivent pas être alignés.

• assurer une bonne stabilité de l'appui. Les points d'appui sont placés de manière à minimiser l'incidence des perturbations dues aux efforts de coupe. Généralement cette contrainte conduit à placer les points d'appui de manière à obtenir une étendue d'appui la plus grande possible.

• minimiser les déformations de la pièce. Pendant l'usinage, la pièce est soumise entre autres aux efforts de coupe, aux efforts de bridage et à la réaction des appuis. Ces efforts ont tendance à déformer la pièce. Les points d'appui sont placés de manière à limiter les déformations de la pièce.

Les différentes contraintes ne sont pas indépendantes les unes des autres. Par exemple, la minimisation des déformations impose de placer les points d'appui en face des efforts exercés sur la pièce. Cette solution ne respecte généralement pas les autres contraintes. La solution adoptée est le résultat d'un compromis entre toutes ces contraintes.

2.1.7. Le torseur de réaction d'appui

Lorsque les contacts entre la pièce et le montage d'usinage sont localisés (les six points d’appui), chaque réaction d'appui est modélisée par un glisseur associé, celui-ci étant considéré comme un contact ponctuel. Chaque glisseur (figure 2.3) est orienté suivant la

53

54 Chapitre 2

direction du point d'appui et se situe dans un cône de frottement. La réaction F de chaque point d'appui est alors modélisée par une composante R qui est orientée suivant la direction d'appui et une composante Ff suivant l'opposé de la direction de glissement possible. La composante Ff est liée à la composante F par le coefficient de frottement µ et un coefficient α qui situe la composante F dans le cône de frottement [Rong 94]. Nous obtenons donc les équations suivantes :

F = R2+Ff2 (2.1)

Ff = α .µ.R avec α ]-1, 1[ (2.2)

Si α ]-1, 1[, l'équilibre de la pièce sur le point d'appui est assuré. Il n'y a pas de risque de glissement. Dans le cas contraire, la pièce glisse sur le point d'appui.

pièce Cône de frottement

point d'appui

RFf

F

glissement possible

direction d'appui

Figure 2.3: le modèle de la réaction au point d'appui

Nous modélisons la réaction de chaque type d'appui par un torseur. Ce torseur est composé de six composantes notées (Rx, Ry, Rz, Mx, My, Mz). Il est exprimé dans le

repère d'appui. Dans l'expression des composantes du torseur dans le repère d'appui, la direction de glissement possible n'étant pas connue, les coefficients αi varient dans

l'intervalle ]-1,1[.

54


Pour l'appui de type plan, le torseur au point o est le suivant :

xy

z

o1

R1

R2

R3

3

2L

l

Rx = α1.µ.(R1+R2+R3)

Ry = α2.µ.(R1+R2+R3)

Rz = R1+R2+R3

Mx = l.(R2-R3)/2

My = L.(R1-(R2+R3))/2

Mz = ( (L2+l 2)/4 ).α3.µ.(R1+R2+R3) (2.3)

Pour l'appui de type linéaire rectiligne, le torseur d'appui est le suivant :

xy

z

o1

R1R2

2E

Rx = α1.µ.(R1+R2)

Ry = α2.µ.(R1+R2)

Rz = R1+R2

Mx = 0

My = E.(R1-R2)/2

Mz= E.α3.µ.(R1+R2)/2 (2.4)

Pour l'appui de type ponctuel, le torseur d'appui est le suivant :

xy

z

o1

R1

Rx = α1.µ.R1

Ry = α2.µ.R1

Rz = R1

Mx = 0

My = 0

Mz = 0 (2.5)

Pour l'appui de type linéaire annulaire, le torseur d'appui est le suivant :

xy

z

o1

R1

R22

r

Rx = R2+α1.µ.R1

Ry = R1+α2.µ.R2

Rz = α3.µ.(R1+R2)

Mx = r.α4.µ.R1

My= r.α5.µ.R2

Mz = r.α6.µ.(R1+R2) (2.6)

55

56 Chapitre 2

Pour l'appui de type pivot glissant, le torseur d'appui est le suivant :

1R4

2

xy

z

oR2

r

L

R3

R1

Rx = R3+R4+α1.µ.(R1+R2)

Ry = R1+R2+α2.µ.(R3+R4)

Rz = α3.µ.(R1+R2+R3+R4)

Mx = L.(R1-R2)/2+L.α4.µ.(R3+R4)/2

My = L.(R4-R3)/2+L.α5.µ.(R1+R2)/2

Mz = r.α6.µ.(R1+R2+R1+R2) (2.7)

Lorsque les contacts entre la pièce et le montage d'usinage ne sont pas localisés, l'appui est réalisé par un contact sur toute l'étendue de la surface assurant l'appui. La réaction de l'appui correspond à un torseur équivalant à l'action de la pression de contact sur la surface d'appui. Nous obtenons des torseurs ayant des formes équivalentes en remplaçant les Ri par l'action exercée par la pression de contact.

2.1.8. La qualité d'appui

Le contact entre la pièce et le montage d'usinage n'étant généralement pas parfait, la surface d'appui de chaque pièce de la série occupe une position différente dans le repère d'appui. L'erreur est essentiellement dépendante des défauts de contact à chaque point d'appui. Bourdet représente l'erreur de position d'un point d'appui appartenant à la pièce par rapport à sa position théorique dans le référentiel de la machine-outil, par un petit déplacement [Bourdet 73]. L'erreur de position en chaque point d'appui pi est

modélisée par une translation ei suivant la normale n i à la géométrie de la pièce au niveau du point d'appui. La figure 2.4 représente la position, sur un point d'appui, d'une des pièces de la série. La ligne en pointillé représente la position théorique de la pièce sur le point d'appui.

pièce

n i

pi

position réelleposition théoriqueei

Figure 2.4 : défaut de position pièce / point d'appui

56


L'ensemble des défauts de position ei localisés au niveau de chaque point d'appui Pi

génère un déplacement de la pièce modélisé par un torseur de petit déplacement. Le torseur est composé d'une translation

r T et d'une rotation

r θ du référentiel de la pièce

dans le référentiel de la machine-outil. A chaque point d'appui, la relation (2.8) permet de calculer les vecteurs

r T et

r θ en fonction des valeurs de l'erreur ei dans le repère

d'appui (O, x, y, z).

T.ni + (OpiΛni ).θ = ei .ni où . : produit scalaire et Λ : produit vectoriel (2.8)

Les erreurs de position ei sont essentiellement fonction des paramètres suivants :

• le défaut de forme des surfaces assurant l'appui. Ce défaut de forme a une incidence importante sur la qualité de l'appui. En effet, le contact entre la pièce et le montage d'usinage est directement dépendant de la géométrie réelle de la surface d'appui ce qui entraîne une erreur aléatoire sur la position de chaque point d'appui. Prenons, par exemple, un appui de type plan réalisé sur une surface ayant un défaut de planéité de 0,1. Si on néglige les autres facteurs, l'erreur aléatoire sur la position de chaque point d'appui est alors de 0,1.

• les caractéristiques mécaniques du matériau constituant la pièce. Pendant l'usinage, la pièce est soumise à la réaction de l'appui qui déforme localement la pièce et le montage d'usinage au droit des points d'appui. Les déformations génèrent une erreur de position du contact entre la pièce et le montage d'usinage.

• le jeu entre le montage d'usinage et la pièce. Dans le cas d'une prise de pièce utilisant un centreur, le contact entre la pièce et le centreur n'est pas défini. En effet, pour pouvoir monter la pièce sur le montage d'usinage, il est nécessaire de disposer d'un jeu entre la pièce et le centreur. La pièce occupe alors une position qui est fonction du lieu de contact entre la pièce et le centreur. L'incertitude sur la position de la pièce dans le référentiel de la machine-outil due au jeu intervient directement sur l'erreur de position ei.

Lorsque l'appui fait appel à plusieurs surfaces, nous pouvons compléter le modèle précédent en ajoutant le petit déplacement dû aux tolérances de position des surfaces d'appui. Ce petit déplacement est modélisé par une rotation

r θ 1 et une

translation Tr 1. Le vecteur rotation

r θ 1 est calculé à partir de l'intervalle de

tolérance sur la position des surfaces d'appui et de la position des points d'appui. Le vecteur translation

r T 1 est directement lié à l'intervalle de tolérance sur la

position des surfaces d'appui. Le déplacement total du repère pièce dans le repère

57

58 Chapitre 2

d'appui est alors modélisé par le vecteur rotation θ + θ 1 et le vecteur translation Tr +

r T 1. Prenons, par exemple, le cas d'un appui de type linéaire rectiligne faisant

appel à deux surfaces. La figure 2.5 gauche montre la position idéale de la pièce sur les deux points d'appui. La distance nominale a entre les deux surfaces d'appui vaut 10 mm. Le repère lié à la pièce Rp est parfaitement orienté dans le repère d'appui. La tolérance 0,03 de parallélisme entre la surface d'appui et la surface usinée est respectée. La figure 2.5 droite montre la position de la pièce lorsque la cote (10 ± 0,2) entre les deux surfaces d'appui est minimale (distance b = 9,8 mm). La rotation θ1 de la pièce dans le repère d'appui est donnée par la relation 2.10. Le défaut de parallélisme est donné par la relation 2.11; nous obtenons 0,05. La tolérance de parallélisme n'est donc plus respectée.

x0

z

r r

tg(θ1) = (a-b)/E (2.10)

tolérance de parallélisme = U. tg(θ1) (2.11)

point d'appui

point d'appuipoint d'appui

a=10

usinage usinage// 0,03

point d'appui

x0

z

yp

xp

U=25

E=100

opop

b=9,8

// 0,05

xp

yp

Figure 2.5 : incidence des tolérances de position des surfaces d'appui sur la qualité d'appui.

2.1.9. L'accessibilité à l'appui

Au cours du chargement de la pièce, la pièce ne doit en aucun cas rentrer en collision avec les éléments constituant le montage d'usinage. Cette condition impose une bonne accessibilité des surfaces d'appui. L'accessibilité à l'appui est définie suivant la direction d'appui et suivant une direction perpendiculaire à la direction d'appui. Nous définissons deux indices an et ap pour évaluer l'accessibilité suivant ces deux directions.

L'indice d'accessibilité an est le rapport entre l'étendue d'appui qui est visible suivant

la direction opposée à la direction d'appui et l'étendue d'appui. Prenons, par exemple, le cas d'un appui dans une rainure (figure 2.6). Seule la zone représentée en trait fort peut être retenue pour assurer un appui. L'indice d'accessibilité an est le rapport entre

l'étendue visible L' et l'étendue de l'appui L.

58


direction d'appui

zone d'appui possible

L

L'

indice d'accessibilité : a = L'/L indice d'accessibilité : a = 0

n p

Figure 2.6 : indices d'accessibilité à l'appui dans une rainure

L'indice d'accessibilité ap prend la valeur 1 quand l'appui est totalement libre et 0

lorsqu'il est encombré suivant une direction perpendiculaire à la direction d'appui. Lorsque l'appui fait appel à une surface plane et que l'indice ap est égal à 1, il est

possible de poser directement l'appui sur la plaque de base du montage d'usinage ou sur la table de la machine-outil. La définition de cet indice demande à être affinée pour évaluer l'accessibilité à l'appui qui n'est pas obligatoirement visible de l'extérieur suivant la direction d'appui et qui est encombré suivant une direction perpendiculaire à la direction d'appui. Prenons, par exemple, le cas d'un appui sur le flan d'une poche (figure 2.7). Si la poche a une largeur compatible avec les éléments physiques du montage d'usinage assurant l'appui, il est possible de placer la pièce sur ses appuis sans risque de collision entre la pièce et le montage d'usinage.

appui prépondérant

appui d'orientation

usinage

indice a = 0 indice a = 0

n p

indice a = 1 indice a = 1

n p

direction d'appui Figure 2.7 : indices d'accessibilité aux appuis sur un plan et un flan d'une poche

59

60 Chapitre 2

2.2. Modèle de posage

La modélisation du posage est caractérisée par :

• un type de posage,

• un repère de posage,

• un torseur effort de posage,

• une qualité de posage.

2.2.1. Le type de posage

Un posage est composé d'un triplet d'appuis. La combinaison des appuis composant le posage n'est pas quelconque. Nous supposons, pour pouvoir résoudre facilement, que chaque pièce de la série occupe une position identique dans le référentiel de la machine-outil; cette hypothèse revient à considérer un contact parfait entre la pièce et le montage d'usinage. Dans la pratique, la matérialisation du contact pièce/montage d'usinage engendre une erreur systématique et aléatoire sur la position de la pièce dans l'espace. La position de chaque pièce dans le référentiel de la machine-outil n'est donc pas exactement identique. Il s'agit donc de retenir les combinaisons qui éliminent les six degrés de liberté de la pièce dans l'espace. L'ensemble des solutions les plus répandues en usinage est mis en évidence dans [Paris 92]. Ces solutions peuvent être classées en trois types qui sont :

• le type 3-2-1r composé d'un appui plan, d'un appui linéaire rectiligne et d'un appui ponctuel (figure 2.8),

• le type 3-2-1c composé d'un appui plan, d'un appui linéaire annulaire et d'un appui ponctuel (figure 2.9),

• le type 4-1-1 composé d'un appui pivot glissant et de deux appuis ponctuels (figure 2.10).

60


1 2

3

1 2

3

1 2

3

1

2

3

45 4 5 4 5 4 5

455

1 2

3

1

2

3

1 2

3

1 2

3

1 2

3

1

2

3

4 5 4 5 4 5 4 54 54 5

1 2

3

1

2

3

4

6 6 6

6 6 6

Figure 2.8 : exemples de posage de type 3-2-1r (appui plan, appui linéaire rectiligne, appui ponctuel)

1 2

3

1 2

3

1 2

3

1

2

3

6 66

1 2

3

1

2

3

6 6 6

44

45

55

Figure 2.9 : exemples de posage de type 3-2-1c (appui plan, appui linéaire annulaire, appui ponctuel)

5 5

1

3 4

2 1 2

3 4

6 6

Figure 2.10 : exemples de posage de type 4-1-1 (appui pivot glissant, appui ponctuel, appui ponctuel)

61

62 Chapitre 2

Le premier appui de la combinaison 3-2-1r (figure 2.11) est un appui de type plan, représenté 3 sur la figure, qui élimine trois degrés de liberté de la pièce dans l'espace. Nous l'appelons appui prépondérant. Le deuxième appui de la combinaison est un appui de type linéaire rectiligne, représenté 2 sur la figure, qui élimine deux degrés de liberté supplémentaires. Nous l'appelons appui d'orientation. Le dernier appui de la combinaison est de type ponctuel, représenté 1 sur la figure, qui élimine le dernier degré de liberté. Il est appelé appui tertiaire ou butée. Dans la pratique, les directions d’appui sont perpendiculaires entre elles. Cette pratique permet notamment de faciliter les réglages du montage d'usinage.

12

3

Figure 2.11 : la combinaison de posage 3-2-1r

Le premier appui de la combinaison 3-2-1c (figure 2.12) est un appui de type plan, représenté 3 sur la figure, qui élimine trois degrés de liberté. Nous l'appelons appui prépondérant. Le deuxième appui de la combinaison est un appui de type linéaire annulaire, représenté 2 sur la figure, qui élimine deux degrés de liberté supplémentaires. Nous l'appelons appui de centrage. Le dernier appui de la combinaison est de type ponctuel, représenté 1 sur la figure, qui élimine le dernier degré de liberté. Il est appelé appui tertiaire ou d'orientation. Dans la pratique, les directions d'appui prépondérant et d'appui de centrage sont colinéaires. La direction d'appui d'orientation est perpendiculaire aux deux autres. Cette pratique permet notamment de faciliter les réglages du montage d'usinage.

62


1

3

2

Figure 2.12 : la combinaison de posage 3-2-1c

Le premier appui de la combinaison 4-1-1 (figure 2.13) est un appui de type pivot glissant, représenté 4 sur la figure, qui élimine quatre degrés de liberté. Nous l'appelons appui prépondérant. Les deux autres appuis de la combinaison sont de type ponctuel, représenté 1 sur la figure, qui éliminent chacun un degré de liberté supplémentaire. Il s'agit pour l'un de la rotation autour de l'appui prépondérant, nous l'appelons appui d'orientation, et, pour l'autre, de la translation suivant l'axe de l'appui prépondérant, nous l'appelons appui tertiaire ou butée. Dans la pratique, les directions d'appui prépondérant et de la butée sont colinéaires. La direction d'appui d'orientation est perpendiculaire aux deux autres. Cette pratique permet notamment de faciliter les réglages du montage d'usinage.

1

1

4

Figure 2.13: la combinaison de posage 4-1-1

2.2.2. Le repère de posage

Les trois directions d'appui permettent de définir un repère de posage. Pour la combinaison 3-2-1r, nous définissons ce repère de la manière suivante : l'axe z représente la direction de l'appui prépondérant, l'axe y représente la direction de l'appui d'orientation et l'axe x est placé et orienté de manière à former un repère

63

64 Chapitre 2

orthonormé direct. L'origine est choisie en un point caractéristique quelconque de l'appui prépondérant (figure 2.14).

1

2

3

zy

xo

Figure 2.14 : le repère de posage de type 3-2-1r

Pour la combinaison 3-2-1c, nous définissons le repère de la manière suivante : l'axe z représente la direction de l'appui prépondérant, l'axe y est défini par la direction de l'appui d'orientation lorsque cet appui fait appel à une surface plane ou par l'intersection du plan contenant l'axe de l'appui de centrage et le point d'appui d'orientation lorsque cet appui fait appel à une surface cylindrique. L'axe x est défini de manière à former un repère orthonormé direct. L'origine du repère est l'intersection de l'axe du centrage et de l'appui prépondérant (figure 2.15).

1

2

zy

xo 3

Figure 2.15 : le repère de posage de type 3-2-1c

Pour la combinaison 4-1-1, nous définissons le repère de la manière suivante : l'axe z représente l'axe de l'appui prépondérant, la direction de posage de la butée permet d'orienter l'axe z, l'axe y représente la direction de l'appui d'orientation et l'axe x est défini de manière à former un repère orthonormé direct. L'origine est le centre géométrique de l'appui prépondérant (figure 2.16).

64


1

1

4

z

yx

o

Figure 2.16 : le repère de posage de type -4-1-1

2.2.3. Le torseur de posage

La réaction de posage est le résultat de la réaction des trois appuis composant le posage. La réaction de posage est alors modélisée par la superposition des trois torseurs correspondant aux trois appuis. Le résultat de cette superposition est un torseur qui est exprimé dans le repère de posage. Prenons, par exemple, la combinaison de posage 3-2-1r représentée sur la figure 2.17. Les repères des appuis; prépondérant, d'orientation et de butée sont appelés respectivement (O1, x1, y1, z1), (O2, x2, y2, z2), (O3, x3, y3, z3). Le

repère de posage est appelé (O, x, y, z). Pour faciliter les calculs, le repère d'appui prépondérant est orienté suivant le repère de posage. Le torseur de posage est alors donné par la relation 2.12. Le détail du calcul nous donne les composantes 2.13 en appelant αgxi et αbxi les coefficients traduisant respectivement le risque de glissement

sur l'appui i suivant l'axe x et le risque de basculement sur l'appui i autour de l'axe x.

τ (o, x, y, z)= τ (o1, x1, y1, z 1)+ τ (o2, x2, y2, z 2)+ τ (o3, x3, y3, z 3) (2.12)

xz2

y2

2

o2

zy

33

3 o3

x

y1

x1o1

1z

o

zy

x

R 1

R 2

R 3R 4R 5

R 6

Figure 2.17: la modélisation de la réaction du posage.

65

66 Chapitre 2

αgx 1 .µ .(R1 + R2 + R3) + αgx 2 . µ. (R4 + R5 ) − R6

αgy 1. µ.(R1 + R2 + R3 )+ R4 + R5 + αgy 3 .µ .R6

R1 + R2 + R3 + αgz 2 .µ .(R4 + R5) + αgz 3 . µ. R6

l. (R2 − R3 ) / 2 + (b2 . αgz 2 .µ − c2). (R4 + R5 ) + (b3 . αgz 3 ⋅ µ − c3 .αgy 3 .µ ). R6

L.(R1 − (R2 + R3 )) / 2 + E.αby 2 .µ .(R4 − R5 ) / 2 + (c2 .α gx2 . µ − a 2 .αgz 2 .µ ). (R4 + R5) + (c3 − a 3 .αgz3 .µ ).R6

( (L2 + l2 ) / 4).αbz 1. µ .(R1 + R2 + R3) + (E / 2).(R4 − R5 ) + (a 2 − b2 .αgx 2 .µ ). (R4 + R5 ) + (a 3 .αgy 3 .µ − b3).R6

(o,x,y,z)

avec oo1∅ = 0 x∅ + 0 y∅ + 0 z∅, oo

2∅ = a2 x∅ + b

2 y∅ + c

2 z∅, oo

3∅ = a3 x∅ + b

3 y∅ + c

3 z∅ (2.13)

2.2.4. La qualité de posage

La qualité de chaque appui va perturber la précision des relations entre les surfaces usinées dans la sous-phase et les autres surfaces qu'elles participent ou non à la mise en position de la pièce pour cette sous-phase. Les petits déplacements

! Erreur

T∅ + OM∅ θ∅ = D∅ (2.14)

M

Oθ

T

D

x

y

yp

xp

op

M'

Figure 2.18 : déplacement du point M

2.3. Modèle de bridage

Le bridage permet de garantir l'équilibre de la pièce sur ses appuis pendant toute la durée de l'usinage. Le dispositif de bridage est généralement placé dans l'espace de travail des outils de coupe. Les risques de collision entre le dispositif de bridage et les outils de coupe sont alors importants. Nous modélisons le bridage par :

• un mode de bridage,

66


• un centre de bridage,

• un torseur de bridage,

• une qualité de bridage.

2.3.1. Le mode de bridage

Pour maintenir la pièce pendant son usinage, nous associons au posage un bridage parmi les modes de bridage suivants :

• le mode bride. Le bridage est obtenu en exerçant sur la pièce une force de direction opposée à l'appui prépondérant (figure 2.19). Le dispositif de bridage est placé sur d'autres surfaces que celles participant au posage. Le contact de la pièce sur l'appui prépondérant est alors garanti car l'effort a tendance à plaquer la pièce sur cet appui. Ce mode est pratiquement utilisé avec les posages 3-2-1r et 3-2-1c.

S

Figure 2.19 : le bridage de mode bride

• le mode étau. Le bridage est obtenu en exerçant sur la pièce une force de direction opposée à l'appui d'orientation (figure 2.20). Le dispositif de bridage est placé sur d'autres surfaces que celles participant au posage. Le contact de la pièce sur l'appui d'orientation est alors garanti. Généralement, une composante de l'effort de bridage plaque aussi la pièce sur l'appui prépondérant. Dans la pratique, ce mode est généralement utilisé avec un posage de type 3-2-1r.

67

68 Chapitre 2

S

Figure 2.20 : le bridage de mode étau

• le mode mandrin. Le bridage est obtenu en exerçant un effort sur les surfaces participant à l'appui prépondérant (figure 2.21). Le dispositif de bridage est placé sur les mêmes surfaces que celles participant au posage. Cette solution est retenue pour maintenir des pièces de révolution à l'aide d'un mandrin trois mors à serrage concentrique. Elle est rarement retenue pour maintenir les pièces prismatiques car la technologie mise en oeuvre (plateau magnétique, technologie du vide) est pratiquement incompatible avec les opérations d'usinage réalisées en fraisage. Ce mode de bridage est généralement utilisé avec un posage de type 4-1-1.

S

SS

S SS S

Figure 2.21 : Le bridage de mode mandrin.

• le mode bride/étau. Pour obtenir un bridage plus efficace, les bridages de mode bride et de mode étau sont souvent associés. Cette solution présente l'avantage d'exercer des efforts de bridage qui plaquent la pièce sur l'appui prépondérant et sur l'appui d'orientation. Cependant, l'encombrement des dispositifs de bridage est souvent incompatible avec l'espace nécessaire pour le travail des outils de coupe. Ce mode est pratiquement utilisé avec un posage de type 3-2-1r. Une procédure

68


spéciale de bridage doit être respectée par l'utilisateur de manière à assurer correctement les contacts pièce/montage d'usinage.

• les autres modes composés. Il est aussi possible d'ajouter un effort de bridage opposé à la butée. Les efforts de bridage plaquent systématiquement la pièce sur les trois appuis. Cependant, ces modes de bridage composés sont rarement compatibles avec les trajectoires des outils de coupe.

2.3.2. Le centre de bridage

Les lieux d'application des forces de bridage sont localisés sur la géométrie de la pièce à l'endroit où sont placés les dispositifs de bridage. Ils sont choisis de manière à garantir l'équilibre de la pièce pendant toute la durée du processus d'usinage tout en laissant libre l'espace nécessaire aux déplacements des outils de coupe. De plus, les lieux de bridage sont placés de manière à limiter les déformations de la pièce générées par ces outils. Cette condition contraint fortement l'emplacement où sont appliqués les dispositifs de bridage. Les lieux de bridage sont alors fortement dépendants de la position des points d'appui assurant le posage.

Les intensités de serrage appliquées en chaque lieu de bridage peuvent être différentes. L'intensité de chaque force de bridage est choisie de manière à garantir l'équilibre de la pièce pendant toute la durée de l'usinage tout en minimisant les déformations de la pièce.

Nous modélisons les lieux d'application des forces de bridage par un point appelé centre de bridage par où passe le glisseur résultant de l'ensemble des forces de bridage. Un centre de bridage est alors associé à un mode de bridage. Lorsque le mode de bridage est composé, par exemple le mode bride/étau, nous définissons un centre de bridage par mode.

2.3.3. Le torseur de bridage

Pour les modes de bridage bride ou étau, l'action du bridage sur la pièce est modélisée par un glisseur qui passe par le centre de bridage. Ce torseur est défini dans le repère de posage. Prenons, par exemple, le bridage de mode bride/ étau représenté sur la figure 2.22. Le torseur B est calculé à partir des glisseurs

! Erreur

69

70 Chapitre 2

o

zy

x

1

6

2

3

5 4

S1 S2

B2

B1

0B1∅=u

1x∅+v

1y∅+w

1z∅

0B2∅=u

2x∅+v

2y∅+w

2z∅

B =

0−S2−S1

− v1.S1 + w2. S2u1. S1

− u2. S2

(o ,x, y, z)

Figure 2.22 : le torseur de bridage du mode bride/étau

Pour le mode mandrin, l'action du bridage est modélisée par une pression sur la surface d'appui correspondante. Le torseur de bridage est alors calculé à partir de l'action de cette pression. Il est aussi exprimé dans le repère de posage. Prenons, par exemple, le bridage de mode mandrin représenté sur la figure 2.23. Le torseur B est calculé à partir de la pression uniforme p exercée sur toute la surface S de l'appui prépondérant.

o

zy

x

1

6

2

3

5 4p

B =

00

− p. dss∫000

(o, x, y,z)

Figure 2.23 : le torseur de bridage du mode mandrin

2.3.4. La qualité de bridage

La qualité de bridage est traduite par la capacité à maintenir la pièce en position en évitant de la déformer. Elle est donc directement dépendante des lieux de bridage et de l'effort de bridage correspondant à chaque lieu. Nous modélisons la qualité de bridage par la répartition des lieux de bridage sur la pièce. Le bridage est de bonne qualité quand la répartition des lieux de bridage est uniforme. Il est alors possible de placer le dispositif de bridage en face des points d'appui pour minimiser les déformations de la

70


pièce. De plus, le centre de bridage est proche de l'origine du repère de posage; son action est alors répartie sur les points d'appui correspondants.

2.4. La liste des entités d'usinage accessibles

Les dispositifs physiques matérialisant le posage et le bridage occupent une partie importante de l'espace de travail disponible sur la machine-outil. Pendant l'usinage, les outils de coupe ne doivent en aucun cas rentrer en collision avec le montage d'usinage. La liste des entités d'usinage accessibles avec une prise de pièce donnée est donc dépendante de :

• l'encombrement du dispositif de bridage,

• l'encombrement des éléments assurant le posage,

• l'espace occupé par les outils de coupe tout au long de leur trajectoire.

2.4.1. L'encombrement du dispositif de bridage.

Le dispositif de bridage occupe un espace important. Il relie le lieu de bridage à la plaque de base du montage d'usinage (figure 2.24). Contrairement aux éléments assurant le posage, il est généralement situé dans l'espace susceptible d'être parcouru par les outils coupants. Les risques de collision entre la pièce, les outils de coupe et le dispositif de bridage sont alors importants.

dispositif de bridage

pièce

Figure 2.24 : exemple de montage d'usinage permettant d'usiner quatre pièces : le dispositif de bridage occupe une grande partie de l'espace disponible.

71

72 Chapitre 2

Le bridage de mode bride est réalisé à l'aide de brides. Le nombre de brides permettant de maintenir la pièce est limité. Il est généralement compris entre un et cinq. L'outil a alors la possibilité de passer entre les brides. L'accessibilité des outils de coupe aux surfaces à usiner est donc fortement dépendante du placement du dispositif de bridage. De plus, les trajectoires d'engagement, de dégagement et d'usinage des outils de coupe sont elles aussi dépendantes du dispositif de bridage.

Le bridage de mode étau présente l'avantage de permettre l'accès facile aux usinages appartenant au demi-espace supérieur à l'appui prépondérant. En effet, ce mode de bridage permet de concevoir des montages d'usinage beaucoup plus compacts. Par contre, comme le maintien de la pièce est assuré par le frottement entre la pièce et l'appui d'orientation, ce mode de bridage n’est plus efficace quand les usinages génèrent des efforts de coupe trop importants.

2.4.2. L'encombrement des éléments assurant le posage

Un des rôles de la prise de pièce est de mettre en position la pièce sur la machine-outil en vue de son usinage. Les directions des usinages doivent alors être compatibles avec le posage retenu. De plus, les outils coupants ne doivent en aucun cas entrer en collision avec les éléments, appartenant au montage d'usinage, qui assurent le posage. Cette condition est assez facilement remplie car ces éléments font généralement corps avec la plaque de base qui elle-même interdit déjà l'accès à cet espace.

2.4.3. Encombrement des outils de coupe pendant l'usinage

Les directions d'usinage

La direction d'usinage est un attribut de l'entité d'usinage. Elle modélise la direction d'accès des outils de coupe réalisant les opérations du processus de l'entité d'usinage. Pour les processus d'usinage faisant appel aux outils tournants (fraise, foret, alésoir,...), la direction d'usinage est parallèle à l'axe de l'outil réalisant l'entité d'usinage. Elle est orientée vers l'extérieur de la matière (figure 2.25). Dans le cas général, une entité d'usinage dispose d'une seule direction d'usinage. Cependant, certaines entités d'usinage peuvent avoir plusieurs directions d'usinage possibles a priori. Il s'agit des entités de type trou, de type contour, de type face plane et de type marche.

72


entité d'usinage fraise

direction d'usinage

Figure 2.25 : direction d'usinage d'une entité d'usinage

Les entités d'usinage de type trou ou contour ont, dans certains cas, deux directions d'usinage (figure 2.26). En effet, l'usinage d'un trou débouchant peut être réalisé suivant une des deux directions d'usinage opposées.

Direction d'usinage

D1

D2

D1 D1

D1 ou D2 D1 D1 Figure 2.26 : exemples de directions d'usinage d'une entité de type trou.

Les entités d'usinage de type face plane ont un nombre de directions d'usinage important. En effet, il est possible de réaliser les surfaces planes à l'aide d'une fraise deux tailles en travaillant avec le bout de la fraise (fraisage en bout) ou avec la périphérie de la fraise (fraisage en roulant) (figure 2.27). Le choix entre les deux techniques, fraisage en bout ou fraisage en roulant, est directement lié à la qualité que l'on veut obtenir et à l'étendue de la surface plane à usiner. Le fraisage en bout, étant un travail par génération, la qualité de la surface usinée est indépendante des défauts géométriques de la fraise. Le travail en roulant, étant un travail de forme, la qualité de la surface usinée est directement dépendante des défauts géométriques de la fraise. De plus, l'étendue de la surface usinée doit être compatible avec la longueur des arêtes coupantes de l'outil.

73

74 Chapitre 2

Direction d'usinage généralement retenue (fraisage en bout)

Autres directions d'usinage possibles (fraisage en roulant)

D1D2

D3

D4

D5

Figure 2.27 : les directions d'usinage d'une entité face plane : D1 ou D2 ou D3 ou D4 ou D5. Toute autre direction dans le plan défini par D2, D3, D4 et D5 est aussi envisageable, quoique moins utilisée.

L'entité de type marche a deux directions d'usinage. Il s'agit de la normale aux deux surfaces planes la composant (figure 2.28). La valeur des attributs de l'entité d'usinage permet, dans certains cas, d'imposer une des deux directions d'usinage.

Direction d'usinage

D1

D2

Figure 2.28 : les directions d'usinage d'une entité de type marche : D1 ou D2

Le placement du dispositif de bridage nécessite de connaître l'espace occupé par les outils de coupe tout au long de leur trajectoire de travail. La connaissance de l'espace correspondant à l'enveloppe de la trajectoire des outils de coupe réalisant les usinages ne peut être issue que des attributs de l'entité d'usinage. Seule une estimation de l'espace réservé aux outils de coupe est possible à partir des entités d'usinage car nous ne connaissons pas encore les trajectoires des outils de coupe associées à chaque opération d'usinage.

Estimation de l'espace occupé par les outils de coupe

L'estimation de l'espace correspondant à l'enveloppe de la trajectoire de l'outil de coupe réalisant l'opération d'usinage est fortement dépendante du type de l'entité d'usinage. De plus, suivant le type de l'entité d'usinage, cette estimation est plus ou moins exacte.

L'usinage d'une entité de type trou ou alésage est réalisé à l'aide d'un outil dont le diamètre est celui du trou ou de l'alésage qui se déplace suivant l'axe du trou ou de l'alésage. L'espace correspondant à l'enveloppe de l'outil pendant l'usinage est alors un cylindre de diamètre égal à celui du trou ou de l'alésage qui se situe sur l'axe de l'entité

74


et de longueur égale à la plus grande dimension de l'espace de travail (figure 2.30). Lorsque l'entité est composée de plusieurs alésages étagés, nous retenons comme diamètre celui qui est le plus important. Cette estimation est exacte en finition. En ébauche, l'espace réellement occupé par l'outil est inclus dans cette estimation. Dans le cas d'entité ayant deux directions d'usinage, nous associons à l'entité d'usinage un espace par direction.

Direction d'usinageEspace occupé par l'outil

Figure 2.30 : espace occupé par l'outil pendant l'usinage d'une entité de type trou ou alésage.

L'usinage d'une entité de type rainure ou poche est réalisé à l'aide d'une fraise dont le diamètre est compatible avec les dimensions de la rainure ou de la poche. Pendant l'usinage, l'outil se déplace dans un espace qui est parfaitement défini par la géométrie de l'entité d'usinage. L'espace occupé par l'outil est alors un volume extrudé dont la base est le contour de la rainure ou de la poche et la direction d'extrusion la direction d'usinage (figure 2.31). Lorsque la rainure ou la poche n'est pas débouchante suivant une direction perpendiculaire à la direction d'usinage, l'estimation de l'espace occupé est exacte. Dans le cas contraire, la trajectoire d'engagement est dans le prolongement de la rainure ou de la poche. L'espace réellement occupé par l'outil est alors supérieur à l'estimation (figure 2.31). Cette erreur est peu gênante car l'engagement de l'outil est localisé. Il est alors possible de placer le dispositif de bridage à d'autres endroits. Là aussi, en ébauche, l'estimation est un volume maximum (une surépaisseur est laissée sur les parois pour la finition).

75

76 Chapitre 2


espace estimé espace réellement occupé

Figure 2.31 : espace correspondant à l'usinage d'une entité de type rainure ou poche.

L'usinage d'une entité de type face plane est réalisé à l'aide d'une fraise qui parcourt toute la surface du plan. Le diamètre de la fraise peut être plus important que l'une des dimensions de la surface à usiner (la trajectoire est alors simple : une droite) ou plus petit que les dimensions de la surface à usiner (la trajectoire est plus complexe : un balayage). De plus, les trajectoires d'engagement et de dégagement augmentent les dimensions de l'espace occupé par l'outil de coupe (figure 2.32). Comme nous ne connaissons pas le diamètre de l'outil et les trajectoires de l'outil, nous calculons un espace correspondant seulement à l'usinage de la surface plane. Il s'agit d'un volume extrudé ayant pour base la surface plane et comme direction d'extrusion la direction d'usinage (figure 2.32). L'engagement et le dégagement ne sont pas pris en compte. Cet espace est très nettement inférieur à l'espace réellement occupé par l'outil. Nous faisons cependant l'hypothèse que, parmi l'ensemble des lieux de bridage calculés à partir de cet espace occupé par l'outil, il existe au moins une solution pour placer le dispositif de bridage qui permette le passage réel de l'outil. Cette solution sera au pire un compromis entre la position idéale du dispositif de bridage et les trajectoires idéales d'engagement et de dégagement.

76



espace estimé espace réellement occupé par l'outil

trajec

toire

Figure 2.32 : espace correspondant à l'usinage d'une entité de type face plane.

L'usinage d'une entité de type contour est réalisé à l'aide d'une fraise qui suit le contour. Elle travaille en roulant. Une trajectoire d'engagement et de dégagement est associée à l'accostage de l'outil sur le contour. L'espace occupé par l'outil de coupe est alors très difficile à déterminer. En effet, le diamètre de l'outil et les trajectoires d'engagement et de dégagement ne sont pas connus. L'estimation du diamètre de l'outil D n'est pas aisée. Il est cependant possible de fixer une valeur maximale à partir de règles heuristiques. Le volume occupé par l'outil est alors construit à partir de cette valeur (figure 2.33). Ce volume calculé, sans être exact, représente tout de même assez bien la réalité. La même hypothèse que précédemment est faite pour les trajectoires d'engagement et de dégagement de l'outil.

diamètre estimé : D

Figure 2.33 : espace correspondant à l'usinage d'une entité de type contour

2.4.4. La liste des entités d'usinage accessibles

77

78 Chapitre 2

L'ensemble des entités d'usinage candidates pour être usinées avec une prise de pièce donnée est connu. Il s'agit de toutes les entités d'usinage de la pièce. La liste des accessibles est déterminée en vérifiant que :

• la direction d'usinage est compatible avec le type de posage. Généralement, lorsque le principe 3-2-1r (appui secondaire de type linéaire rectiligne, figure 2.11) ou 3-2-1c (appui secondaire de type linéaire annulaire, figure 2.12) est retenu, les outils coupants ne passent pas au travers de l'appui prépondérant. Cette condition limite les directions d'usinage acceptables au demi-espace supérieur à l'appui prépondérant. Les appuis d'orientation et la butée ne limitent pas les directions d'usinage. En effet, les éléments du montage d'usinage assurant l'orientation et la butée occupent un espace relativement restreint. Il est alors possible de passer les outils de coupe entre ces éléments. La gestion des collisions entre ces éléments assurant le posage et les outils de coupe permet de s'assurer de l'accessibilité des outils de coupe aux entités d'usinage réalisées avec cette prise de pièce.

Il existe cependant des montages d'usinage où l'outil passe au travers de l'appui prépondérant. Il s'agit généralement des montages de perçage. L'élément du posage assurant l'appui prépondérant assure aussi le guidage du foret à l'aide d'un canon de perçage (figure 2.34). Ce cas n'est pas envisagé dans notre étude.

appui prépondérant direction d'usinage

Figure 2.34 : exemple de montage de perçage [Pazot 89]

Lorsque la combinaison 4-1-1 est retenue, il est difficile de limiter l'espace des directions d'usinage. Il est possible de réaliser des usinages qui débouchent sur la surface de l'appui prépondérant (figure 2.35). De plus, les directions perpendiculaires à l'axe de l'appui pivot glissant sont accessibles. La restriction des directions ne peut être réalisée que par un calcul d'encombrement et de gestion des collisions entre les outils de coupe et les éléments du montage d'usinage.

78


appui prépondérant direction d'usinage

Figure 2.35 : usinage débouchant sur la surface de l'appui prépondérant.

• la géométrie de l'entité de prise de pièce n'interfère pas avec la géométrie de l'entité d'usinage. Il n'est pas possible de réaliser une prise de pièce et d'usiner une des surfaces assurant cette prise de pièce car les éléments constituant le montage d'usinage rentre systématiquement en collision avec les outils de coupe.

• la trajectoire des outils de coupe est compatible avec la prise de pièce. L'espace occupé par les outils de coupe ne doit pas interférer avec les éléments constituant le montage d'usinage.

2.5. Comportement mécanique du système pièce/prise de pièce/outil coupant

Au cours de son usinage, la pièce est soumise aux efforts de coupe, à son poids, aux efforts de bridage et à la réaction du posage. L'intensité des efforts de bridage est déterminée de manière à garantir l'équilibre de la pièce pendant toute la durée du processus d'usinage. La stabilité du posage est alors assurée si cet équilibre n'est pas remis en cause par les perturbations générées par les outils de coupe. Nous avons déjà modélisé l'action du bridage et la réaction du posage (chapitres 2.2.3 et 2.3.3). Il reste maintenant à calculer l'intensité minimale des efforts de bridage garantissant l'équilibre de la pièce pendant son usinage. La valeur de l'intensité de la réaction de posage correspondant à cet effort nous permet de définir des indices de stabilité. Enfin, nous mettons en évidence la nécessité de modéliser les déformations de la pièce pendant et après l'usinage.

2.5.1. Calcul de l'intensité des efforts de bridage

L'intensité des efforts de bridage est déterminée de manière à assurer l'équilibre de la pièce pendant toute la durée de l'usinage. Pendant l'usinage, la pièce est soumise à l'action de la prise de pièce, à son poids, aux efforts d'inertie et à l'action des outils de coupe.

Le poids et les efforts d'inertie

79

80 Chapitre 2

La pièce est soumise à son poids qui est modélisé par un glisseur passant par son centre de gravité. Il assure généralement la stabilité de la pièce avant le bridage de la pièce. Cependant, pour la plupart des pièces usinées, l'intensité de la pesanteur reste faible vis-à-vis des efforts de coupe mis en jeu pendant l'usinage. Il est alors possible de la négliger dans le calcul de l'effort de bridage. Pour l'usinage des pièces dont le poids ne peut pas être négligé, il faut déterminer le mode d'assemblage du montage d'usinage sur la table de la machine de manière à connaître la direction de la pesanteur. En effet, le montage d'usinage peut être fixé directement sur la table de la machine ou sur l’équerre. L'incidence de l'action du poids sur l'équilibre de la pièce est alors fortement dépendante de ce mode d'assemblage.

En fraisage, la vitesse de déplacement de la pièce dans l'espace est au maximum égale à la vitesse d'avance en travail. Les efforts d'inertie correspondant restent donc faibles vis-à-vis des efforts de coupe; ils peuvent être négligés. En tournage, la pièce et le montage d'usinage sont animés du mouvement de coupe. Les efforts d'inertie sont du même ordre de grandeur que les efforts de coupe ; ils ne peuvent pas être négligés.

L'action des outils de coupe

Les actions exercées par l'outil de coupe sur la pièce sont modélisées par un torseur qui évolue le long de la trajectoire décrite par l'outil de coupe. Les composantes du torseur de coupe évoluent en intensité et en direction pendant toute la durée de l'usinage (figure 2.36). Elles dépendent de la nature et des dimensions de l'outil utilisé, des paramètres de coupe, de la trajectoire de l'outil et du matériau de la pièce. L'évaluation précise des composantes du torseur de coupe n'est pas aisée car l'ensemble des paramètres intervenant dans le calcul n'est connu qu'à la fin de la conception de la gamme d'usinage. Nous pouvons cependant estimer le torseur de coupe à partir d'une description de la pièce par entités d'usinage. Au sein du laboratoire 3S, nous avons mené une étude sur ce sujet. Les résultats obtenus sont consignés dans un mémoire de DEA [Gromaire 94]. Nous disposons maintenant de modèles permettant d'estimer les efforts de coupe pour les travaux de perçage, de surfaçage et de rainurage.

80


trajectoire de l'outil

F

F

f4

f1

f2

f1

f2f3

Figure 2.36 : évolution des efforts de coupe pendant l'usinage. F est la résultante des fi.

Les actions générées par la coupe lors d'une opération de perçage

L'action de la coupe lors d'une opération de perçage sur la pièce est modélisée par un couple C autour de l'axe de rotation de l'outil et un effort de poussée Fp suivant cet axe

(figure 2.37). En négligeant l'engagement et le dégagement du foret, les valeurs du couple et de l'effort restent constantes pendant toute la durée du perçage. Tanguy [Tanguy 93] modélise l'effort de poussée et le couple de perçage en fonction de l'avance f et du diamètre de perçage d par les relations 2.15 et 2.16. Les coefficients K et Km sont

fonction de la matière à usiner et de l'affûtage du foret. Comme l'avance est généralement déterminée à partir du diamètre d, le torseur de coupe est alors uniquement dépendant du diamètre du trou, de la matière à usiner et de l'état initial du trou; trou venant du brut, trou déjà ébauché en perçage ou pas de trou sur la pièce brute. La trajectoire du foret est parfaitement définie par les attributs de l'entité d'usinage de type trou. Elle est située sur l'axe du trou. Le point d'application de l'effort de poussée évolue le long de la trajectoire de l'outil c'est à dire sur l'axe du trou. Le torseur de coupe C est exprimé dans un repère (o,xt,yt,zt) lié à la trajectoire de l'outil.

Fp = K. f. d (2.15)

C = Km.

f .d2

(2.16)

81

82 Chapitre 2

C

Fp

xt

z t

o

C =

00

−Fp

00

−C

(o ,x t ,y t ,zt )

Figure 2.37 : le torseur de coupe en perçage

L'effort de coupe d'une opération de surfaçage

Le torseur de coupe associé à une opération de surfaçage n'est pas facile à estimer. En effet, l'effort de coupe est, en autre, directement dépendant de la trajectoire de l'outil réalisant la face plane. Cette trajectoire peut être estimée à partir de la géométrie de l'entité d'usinage, de la position et de l'orientation de celle-ci sur la pièce en utilisant des règles heuristiques. Pour simplifier le problème, nous avons négligé les états transitoires correspondant à l'engagement et au dégagement de la fraise et l'incidence de l'angle d'hélice sur l'effort de coupe, ce qui correspond à une profondeur de passe faible devant l'engagement de la fraise. Les travaux de Gromaire, déjà cités, ont permis de modéliser l'effort de coupe en analysant plus particulièrement la variation de l'intensité et de la direction de l'effort de coupe par rapport à la trajectoire de l'outil. L'effort de coupe sur chaque dent de la fraise est estimé à partir du modèle proposé par Altintas [Altintas 92] (figure 2.38). Les équations 2.17 et 2.18 permettent de calculer l'effort tangent Ft et l'effort radial Fr à la fraise en fonction de la profondeur de passe p, de l'épaisseur du copeau h et du coefficient ks dépendant du matériau à usiner. La direction et l'intensité de l'effort F, résultant de l'action de l'ensemble des dents participant à l'usinage, varient pendant toute la durée de l'usinage. Cette variation de direction est directement liée au nombre de dents de l'outil de coupe et à l'engagement de la fraise dans la pièce; l'engagement est défini par le rapport entre la largeur à usiner et le diamètre de la fraise. La figure 2.39 nous montre les variations de l'intensité et de l'orientation de l'effort résultant F par rapport à la trajectoire de coupe pour un surfaçage réalisé avec une fraise de diamètre 63 ayant 6 dents et une largeur à usiner de 45. Nous pouvons remarquer que l'angle φ varie de 35 à 64 degrés et que l'intensité F varie de 3224 à 5581N. Il est alors possible d'estimer l'effort moyen de coupe par un vecteur faisant un angle φ moyen avec la trajectoire et une intensité F moyen. Nous envisageons, à terme et si nécessaire, de compléter ce modèle avec un intervalle de tolérance sur φ et sur F. Ce vecteur parcourt la trajectoire pendant toute la durée de

82


l'usinage. Le torseur de coupe est exprimé dans un repère (o,xt,yt,zt) lié à la trajectoire

de l'outil. Le point o parcourt la trajectoire.

Ft = ks x p x ha (2.17)

Fr = Ft / 1,5 (2.18)

Ft

Fr h

trajectoire

F

φ

fraise

larg

eur à

usi

ner

pièce

xt

yt

o

Mc

Ma

C =

F.cos(φ)−F.sin(φ)

0000

(o ,x t, y t, zt ) Figure 2.38 : modélisation de l'effort de coupe en surfaçage

intensité sur y en Nt

intensité sur x en Nt

F

φ

intensité sur x en Ntintensité sur x en Nt

intensité sur y en Nt intensité sur y en Nt

Figure 2.39 : variation de l'effort de coupe en fraisage en bout. Essai réalisé avec une fraise de diamètre 63 à 6 dents, une largeur à usiner de 45 mm, une profondeur de passe de 1mm et une avance de 0,2mm/dent sur une pièce en XC38 [Gromaire 94].

83

84 Chapitre 2

Le torseur de coupe d'une opération de rainurage

De la même façon, nous pouvons estimer les efforts de coupe d'une opération de rainurage. Les résultats obtenus montrent une forte variation de l'angle φ (de -48 à 122 degrés en utilisant une fraise ayant deux dents) et de l'intensité F (de 0 à 3590N) (figure 2.40). Lorsque le nombre de dents augmente, la variation de l'effort de coupe diminue. La figure 2.41 montre les résultats de la simulation en utilisant une fraise à trois dents et à quatre dents. Dans la pratique, les fraises à rainurer possèdent deux ou trois dents. Il est alors difficile d'estimer l'effort de coupe lorsque la fraise a deux dents. Il est cependant possible de retenir l'effort de coupe ayant l'intensité maximale. La direction de l'effort est alors déterminée par l'angle φ correspondant à cette intensité.



F

φ

retenu

retenu

Figure 2.40 : variation de l'effort de coupe en rainurage avec une fraise de diamètre 20 mm à deux dents, une profondeur de passe de 1 mm, une avance de 0,2 mm/dent sur une pièce en XC38

84




F retenu

φ retenu

résultat avec une fraise à 3 dents



F retenu

φ retenu

résultat avec une fraise à 4 dents Figure 2.41 : incidence du nombre de dents sur la variation de l'effort de coupe

Equilibre de la pièce dans le repère de posage

Au cours de l'usinage, la pièce est soumise aux efforts de coupe qui évoluent le long de la trajectoire, aux efforts de bridage et à la réaction des appuis. L'équilibre de la pièce dans le référentiel de la machine-outil est assuré avant et pendant l'usinage. Cette condition est traduite par l'équation 2.19. Nous recherchons l'intensité de l'effort de bridage minimal qui garantit l'équilibre de la pièce. En faisant l’hypothèse que le posage est modèlisé par six contacts ponctuels unilatéraux (les six points d’appui) en des lieux imposés, l’équilibre est assuré si la projection de la réaction de chaque point appui sur la direction d'appui est positive ou nulle. Nous obtenons donc un ensemble de six équations à n variables. Les variables sont les réactions des points d'appui, les coefficients liés au frottement α et les actions de bridage (une action par mode de bridage)

τposage

+ τbridage

) + τcoupe

) = 0 (2.19)

La résolution de l'équation d'équilibre s'effectue en deux temps. Dans un premier temps, nous calculons la réaction de chaque point d'appui en fonction des efforts de coupe et de bridage en annulant l'action du frottement. Nous obtenons donc la valeur de la réaction de chaque appui en fonction des efforts de bridage. Le contact étant généralement unilatéral, la projection de la réaction de chaque point d'appui sur la direction d'appui doit être positive ou nulle. Les valeurs négatives ne peuvent être contrecarrées que par le frottement de la pièce sur ses appuis. Seuls les coefficients α correspondant aux réactions des points d'appui ayant une intensité positive et aux mouvements possibles de la pièce dans l'espace sont pris en considération.

85

86 Chapitre 2

Dans un second temps, nous calculons les efforts de bridage de manière à obtenir des réactions d'appui bien orientées et les coefficients α dans le domaine ]-1,1[. L'ensemble des coefficients traduisant le glissement ou le basculement autour d'un même axe sont égaux. Nous obtenons alors l'intensité minimale des efforts de bridage permettant de conserver l'équilibre de la pièce pendant toute la durée de l'usinage.

Prenons l'exemple représenté sur la figure 2.42. Les efforts de coupe sont modélisés, à un instant donné, par un vecteur Fc, ayant comme composantes (Xc, Yc, Zc) dans le repère de posage, au point T de coordonnées (x, y, z) de la trajectoire de l'outil. Les efforts de bridage sont modélisés par les deux vecteurs S1 appliqué au point B1 et S2 appliqué au point B2 ayant respectivement comme composantes (0, 0, -S1), (u1, v1, w1), (0, -S2, 0), (u2, v2, w2). La réaction des points d'appui Pi est modélisée par les vecteurs Ri. Les coefficients α caractérisant le frottement sont de deux natures différentes : αg et

αb. αg représente le coefficent de frottement qui limite le glissement le long des axes du repère de posage. αb représente le coefficent de frottement qui limite le basculement autour des axes du repère de posage.

Fc

S

S

x

y

T

1

2B1

B2P6

R 6

P3P4

P1P5

R3P2

R2

R4R1

R5

Figure 2.42 : modélisation des actions mécaniques s'exerçant sur la pièce en cours d'usinage

αgx1

.µ.(R1+R

2+R

3)+α

gx2.µ.(R

4+R

5)-R

6+Xc=0

αgy1

.µ.(R1+R

2+R

3)+R

4+R

5+α

gy3.µ.R

6-S

2+Yc=0

R1+R

2+R

3+α

gz2.µ.(R

4+R

5)+α

gz3.µ.R

6-S

1+Zc=0

l.(R2-R

3)/2+(b

2.α

gz2.µ-c

2).(R

4+R

5)+(b

3.α

gz3.µ-c

3.α

gy3.µ).R

6-v

1.S

1+w

2.S

2+z.Yc-y.Zc =0

L.(R1-(R

2+R

3))/2+E.α

by2.µ(R

4-R

5)/2+(c

2.α

gx2.µ-a

2.α

gz2.µ).(R

4+R

5)+(c

3-a

3.α

gz3.µ).R

6+ u

1.S

1+x.Zc-z.Xc =0

(L2+l 2)/4.α

bz1.µ.(R

1+R

2+R

3)+(E/2).(R

4-R

5)+(a

2-b

2.α

gx2.µ).(R

4+R

5)+(a

3.α

gy3.µ-b

3).R

6-u

2.S

2+y.Xc-

x.Yc=0 (2.20)

86


La première étape du calcul qui consiste à négliger le frottement nous donne :

0 0 0 0 0 -10 0 0 1 1 01 1 1 0 0 00 l / 2 −l / 2 −c2 −c2 0

L / 2 − L / 2 −L / 2 0 0 c30 0 0 a 2 + E / 2 a2 − E / 2 − b3

•

R1R2R3R4R5R6

=

−Xc−Yc + S2−Zc + S1

y. Zc − z. Yc + v1.S1 − w2. S2z. Xc − x.Zc − u1. S1x. Yc − y. Xc + u2.S2

(2.21)

Nous obtenons les réactions d'appui Ri en fonction des efforts de bridage S1 et S2 et

des composantes de l'action de la coupe Xc, Yc, Zc. Il est alors possible de calculer une valeur pour S1 et S2 permettant d'avoir R1 à R5 positifs ou nuls.

Le seul mouvement possible de la pièce est une translation suivant x qui est contrecarrée soit par l'appui P6, soit par le frottement de la pièce sur ses appuis. Dans ce cas, seuls les coefficients αg1x et αg2x sont différents de zéro. Dans le cas où R6 est

positif, seul le frottement peut immobiliser la pièce en translation suivant x. Nous prendrons donc les coefficients αg1x et αg2x égaux à α car les réactions R1 à R5 sont

positives ou nulles. Le système d'équations devient 2.22. Le coefficient α doit alors appartenir à l'intervalle ]-1,1[. Dans le cas contraire, il faut augmenter les valeurs S1 et S2 pour respecter cette condition.

α α α α α 00 0 0 1 1 01 1 1 0 0 00 l / 2 −l / 2 −c2 −c2 0

L / 2 − L / 2 −L / 2 0 0 c30 0 0 a 2 + E / 2 a2 − E / 2 − b3

•

R1R2R3R4R50

=

−Xc−Yc + S2−Zc + S1

y. Zc − z. Yc + v1.S1 − w2. S2z. Xc − x.Zc − u1. S1x. Yc − y. Xc + u2.S2

(2.22)

2.5.2. Modèle de stabilité du posage.

Les coefficients α nous permettent de définir des indicateurs qui traduisent les risques de glissement et de basculement de la pièce sur ses appuis suivant les axes du repère de posage.

Le risque de glissement suivant les axes du repère de posage est donné par les valeurs des coefficients αgi correspondant à chaque axe. Comme les coefficients αgi sont

associés à chaque appui, l'indicateur de glissement par rapport à l'axe i considéré est égal au maximum des trois valeurs absolues αgi1, αgi2, αgi3 (relation 2.23). Lorsque

l'indicateur prend la valeur 0, il n'y a aucun risque de glissement sur l'axe i. La valeur 1 indique un risque important de glissement sur l'axe i.

87

88 Chapitre 2

indicateur de glissement / x = Max (|αgx1|, |αgx2 |, |αgx3|) indicateur de glissement / y = Max (|αgy1|, |αgy2|, |αgy3|) indicateur de glissement / z = Max (|αgz1|, |αgz2|, |αgz3|) (2.23)

L'indicateur de basculement traduit le risque de basculement de la pièce autour des axes du repère de posage. Ces indicateurs sont déterminés à partir des coefficients αbi et

du rapport entre le moment exercé par le posage sur la pièce et le moment maximum admissible par le posage [Willy 95]. Prenons, par exemple, la combinaison de posage 3-2-1r. L'indicateur de basculement autour de l'axe x est égal à la valeur absolue du rapport des moments. Les indicateurs de basculement autour des axes y et z sont égaux au maximum de la valeur absolue du rapport des moments (relation 2.24). Lorsque l'indicateur prend la valeur 0, il n'y a aucun risque de basculement autour de l'axe i. La valeur 1 indique un risque important de basculement autour de l'axe i.

indicateur de basculement / x = (|(R2-R3)/(R2+R3)|) indicateur de basculement / y = Max (|αby2|,|(R1-(R2+R3)/(R1+R2+R3)|) indicateur de basculement / z = Max (|αbz1|,|(R4-R5)/(R4+R5)|) (2.24)

2.5.3. Modèle de déformation de la pièce

Les différentes actions mécaniques s'exerçant sur la pièce ont tendance à la déformer. Ces déformations peuvent être classées en deux catégories :

• les déformations locales. Il s'agit des déformations dues à la pression de contact entre la pièce et le montage d'usinage. Elles sont alors localisées au droit des points d'appui et du dispositif de bridage. Les contacts étant généralement localisés, les déformations peuvent être estimées en utilisant des modèles, par exemple le modèle de Hertz, habituellement employés en mécanique.

• les déformations globales. Il s'agit des déformations affectant la pièce dans sa globalité. Les méthodes éléments finis et de résistance des matériaux sont couramment employées en mécanique pour estimer ces déformations. La pièce est modélisée soit par un maillage, soit par une poutre à inertie fixe ou variable. Cette modélisation de la pièce sous la forme d'un maillage ou d'une poutre n'est généralement pas simple et dépend très fortement du cas étudié. De plus, les calculs sont généralement longs et le résultat est fortement dépendant de ce modèle. Ce type de calcul est effectué, une seule fois, en fin de conception de gamme d'usinage pour valider la solution proposée. Prenons, par exemple, le support intermédiaire représenté figure 2.43. La combinaison posage est 3-2-1c. Le bridage est obtenu à l'aide de deux brides exerçant chacune un effort de 1600N sur la pièce. Le calcul de la déformation de la pièce est effectué en considérant que

88


celle-ci est soumise uniquement à l'action du bridage et à la réaction du posage, c'est-à-dire avant usinage. Nous nous sommes essentiellement intéressés au défaut de planéité du plan P dû aux déformations. Nous avons modélisé la pièce en utilisant les trois modèles suivants :

• modèle poutre ayant un moment quadratique fixe. La pièce est assimilée à une poutre suivant l'axe x avec un moment quadratique moyen. Le calcul nous donne un défaut de planéité dû aux déformations de 0,05.

• modèle poutre ayant un moment quadratique variable. La pièce est assimilée à un ensemble fini d'éléments poutre suivant l'axe x. Un moment quadratique est défini pour chaque élément poutre. Le calcul nous donne un défaut de planéité dû aux déformations de 0,09.

• modèle éléments finis à l'aide d'un maillage volumique. Le maillage est réalisé à l'aide d'éléments prismatiques. Le calcul nous donne un défaut de planéité dû aux déformations de 0,11.

Le défaut de planéité mesuré pratiquement sur la pièce est de 0,14. En supposant que ce défaut est principalement dû à la flexion modélisée, on se rend donc compte que les modèles utilisés ont une incidence importante sur le résultat. Aucun modèle ne permet d'obtenir un résultat suffisamment précis pour être compatible avec la qualité de l'usinage. Une modélisation plus fine de la pièce est nécessaire pour obtenir un résultat exploitable. Le temps de calcul devient important. Il n'est donc plus possible d'effectuer ce calcul sur toutes les entités de prise de pièce.

S S

1 23

45 61

2

3

z

x

y

o

o

x

plan P

Figure 2.43 : la prise de pièce du support intermédiaire

89

90 Chapitre 2

Cependant, une étude sur les déformations de la pièce permettant de proposer rapidement une estimation avec une bonne fiabilité nous semble indispensable. Ce travail nécessite de trouver des modèles permettant d'estimer avec suffisamment de fiabilité les risques de déformation de la pièce sans effectuer des calculs longs et coûteux. Mon travail se limite à l'étude des pièces considérées comme des solides indéformables. Nous envisageons, dans un avenir proche, une étude sur les déformations des pièces en cours d'usinage. Cette étude devrait déboucher sur un modèle permettant de prédire avec une bonne fiabilité le comportement de la pièce pendant l'usinage.

2.6. Cohérence du modèle prise de pièce avec les autres modèles

Durant la conception de la gamme d'usinage, le gammiste manipule entre autres le modèle géométrique de la pièce, le modèle entité d'usinage et le modèle entité de prise de pièce. Pour pouvoir gérer l'évolution des attributs de chaque modèle, nous avons besoin d'assurer une cohérence entre les différents modèles manipulés par le gammiste. La cohérence entre le modèle entité de prise de pièce et les autres modèles doit être assurée, à la fois, pour les attributs géométriques et pour les attributs de qualité.

La cohérence des attributs géométriques des entités d'usinage et des entités de prise de pièce permet de gérer la notion de posage réalisé sur une géométrie appartenant à une entité d'usinage et, inversement, la notion d'usinage d'une géométrie appartenant à une entité de prise de pièce. Cette cohérence est assurée par l'appartenance d'une même entité géométrique à chacune des entités d'usinage et de prise de pièce en question.

La cohérence des attributs de qualité permet de faire évoluer la qualité potentielle de posage en fonction de l'évolution des attributs des autres modèles. Inversement, la qualité de posage demandée influe sur ces attributs. La qualité des entités d'usinage évolue au fur et à mesure des opérations d'usinage. L'entité d'usinage passe de l'état brut à l'état fini par des états intermédiaires éventuels. Sa qualité augmente à chaque usinage et, en conséquence, la qualité d'un posage auquel elle participe aussi.

90

L'apport des connaissances sur les prises de pièce dans un contexte de conception de gammes d'usinage 91

3. L'apport des connaissances sur les prises de pièce dans un contexte de conception de gammes d'usinage

Maintenant que nous avons défini l'entité de prise de pièce dans le chapitre précédent, il s'agit d'être capable de construire l'ensemble des entités de prise de pièce pour une pièce donnée. Après avoir rappelé le contexte de gamme d'usinage qui nous intéresse dans le premier paragraphe, nous montrons, dans le deuxième paragraphe, comment cette construction des prises de pièce est possible à partir des données disponibles, essentiellement la description de la pièce. Dans le troisième paragraphe, nous présentons les fonctions que nous mettons en place pour aider le gammiste pendant la conception de l'architecture de la gamme.

3.1. Le contexte de gamme d'usinage

Dans le chapitre 1, nous avons présenté notre approche de conception d'une gamme d'usinage. Nous allons maintenant nous intéresser plus particulièrement à l'apport de la connaissance sur les prises de pièce pendant la conception de l'architecture de la gamme. La conception de l'architecture de la gamme d'usinage est réalisée en deux temps :

• le premier temps concerne la détermination du processus d'usinage associé à chaque entité d'usinage. Les attributs des entités d'usinage permettent de déterminer les différentes opérations d'usinage nécessaires. Le gammiste dispose

91

92 Chapitre 3

alors de l'ensemble des opérations d'usinage permettant de passer de la pièce brute à la pièce finie d'usinage.

• le deuxième temps concerne la conception de l'ensemble des sous-phases pour obtenir une architecture de la gamme d'usinage. Le gammiste regroupe dans une même sous-phase les opérations d'usinage compatibles. Il détermine, pour chaque sous-phase, une (ou plusieurs) prise de pièce adaptée. Pour effectuer ce travail, il raisonne à partir de l'ensemble des entités d'usinage et de l'ensemble des entités de prise de pièce potentielles associé à chaque entité d'usinage.

La particularité de notre approche consiste à gérer simultanément la construction de toutes les sous-phases, sans imposer a priori l’ordre chronologique de ces sous-phases. Pendant la conception de l'architecture de la gamme d'usinage, le gammiste doit donc gérer simultanément les regroupements d'opérations d'usinage et les déterminations des prises de pièce. A chaque regroupement d'opérations d'usinage, il doit s'assurer de l'existence d'au moins une prise de pièce compatible avec ce nouveau processus d'usinage. De même, à chaque décision sur une prise de pièce, il doit s'assurer que toutes les opérations d'usinage envisagées peuvent être réalisées. Ce raisonnement croisé est rendu possible par la mise à la disposition du gammiste de l'ensemble des opérations d'usinage et de l'ensemble des prises de pièce potentielles. L'ensemble des opérations d'usinage est déterminé à partir des entités d'usinage et des connaissances du métier usinage [Brissaud 92a]. Il reste donc à construire l'ensemble des prises de pièce potentielles.

3.2. Construction de l'ensemble des prises de pièce potentielles

La construction de l'ensemble des entités de prise de pièce est effectuée à partir de la connaissance de la pièce. Nous disposons systématiquement de modèles représentant la pièce finie d'usinage. Il s'agit essentiellement d'un (ou plusieurs) modèle géométrique disponible dans un environnement CAO et d'une description par entités d'usinage. Cette connaissance est insuffisante pour connaître l'ensemble des entités de prise de pièce potentielles. En effet, les connaissances de la pièce brute et des états de la pièce en cours d'usinage sont indispensables pour obtenir une liste exhaustive des entités de prise de pièce potentielles (figure 3.1). Les prises de pièce sont donc construites à partir de la pièce finie d'usinage et des estimations de la pièce brute (ou à partir de système d’habillage comme COPEST) et de la pièce en cours d'usinage. Cette estimation ne peut être issue que d'une analyse du modèle géométrique de la pièce finie et du modèle de la pièce en entités d'usinage, seules données disponibles, avec l'aide d'expertise d'usinage.

92


pièce brute

Ensemble des appuis potentiels

Ensemble des entités de prise de pièce potentielles

pièce finie modèle géométrique

pièce finie modèle entité d'usinage pièce dans un état

intermédiaire

Figure 3.1 : algorithme de construction de l'ensemble des prises de pièce potentielles

3.2.1. Les entités de prise de pièce sur la pièce finie d'usinage

Nous disposons essentiellement de deux modèles pour décrire la pièce finie d'usinage. Le premier est un modèle géométrique qui est généralement disponible dans un environnement CAO. Le deuxième est un modèle de la pièce en entités d'usinage qui est manipulé par le gammiste. Ces deux modèles sont parfaitement définis et exploitables pour construire en partie l'ensemble des prises de pièce potentielles. Les entités de prise de pièce sont identifiées à partir de l'analyse de ces deux modèles en adoptant la démarche suivante (figure 3.2) :

• dans un premier temps, les appuis sont identifiés. Les surfaces candidates sont identifiées à partir de l'analyse du modèle géométrique de la pièce. L'analyse du modèle de la pièce en entités d'usinage apporte la connaissance technologique qui permet de restreindre l'ensemble des surfaces candidates.

• dans un deuxième temps, les appuis sont combinés pour obtenir les posages candidats. L'analyse géométrique et topologique du modèle géométrique de la pièce permet de retenir les posages compatibles avec au moins un mode de bridage.

• dans un troisième temps, l'analyse du modèle de la pièce en entités d'usinage permet d'associer la liste des entités d'usinage compatibles avec chaque posage. Les attributs, efforts de bridage, indices de stabilité et qualité de posage, sont calculés à partir de cette analyse.

93

94 Chapitre 3


pièce finie modèle entité d'usinage

géométries candidates pour assurer un appui

entités de prise de pièce potentiellescombinaison des appuis existence d'un bridage

pour chaque entité de prise de pièce :liste des entités d'usinage accessibles calcul des efforts de bridage calcul de la qualité de posage

Figure 3.2 : la construction des prises de pièce à partir de l'analyse des modèles de la pièce finie

3.2.2. Les entités de prise de pièce sur la pièce brute

La modélisation géométrique du brut n'est pas toujours disponible. Dans les industries de sous-traitance, les clients fournissent généralement un modèle de la pièce finie d'usinage et un modèle de la pièce brute. Dans les autres industries, seule la technique d'obtention de la pièce brute est généralement connue au moment de faire la gamme d'usinage.

Le modèle du brut est connu

Nous disposons de deux modèles géométriques indépendants issus de l'environnement CAO. L'un représente la pièce brute, l'autre la pièce finie d'usinage. L'analyse de ces deux modèles et du modèle de la pièce en entités d'usinage permet de construire, en utilisant la démarche précédente, l'ensemble des prises de pièces potentielles sur la pièce brute et sur la pièce finie d'usinage. Il est cependant indispensable d'assurer une cohérence entre le modèle de la pièce brute et le modèle de la pièce finie d'usinage. Cette cohérence permet, entre autres, de gérer l'évolution de la géométrie et de la qualité des entités de prise de pièce lorsque la pièce passe de l'état brut à l'état fini d'usinage. Dans les systèmes CAO actuels, cette cohérence n'est pas

94


assurée par le système; il est nécessaire de mettre en place un mécanisme particulier. Nous n'avons pas abordé l'étude d'un tel mécanisme.

Seule la technique d'obtention de la pièce brute est connue

La technique d'obtention de la pièce brute nous donne une estimation de la géométrie et de la qualité de la pièce brute. L'analyse de cette géométrie, qui reste relativement peu définie, permet d'estimer les entités de prise de pièce sur le brut. La connaissance de ces entités peut apporter des contraintes sur la conception de la pièce brute. Prenons, par exemple, le cas des pièces forgées. La connaissance des surfaces de départ d'usinage, c'est-à-dire des surfaces d'appui sur la pièce brute correspondant au posage de la première sous-phase, permet au forgeron de concevoir une pièce brute qui minimise les défauts, dus à la technique d'obtention de la pièce brute, de mise de position de la pièce dans le repère de la machine-outil.

La gestion en parallèle de la conception de la pièce brute et de l'architecture de la gamme d'usinage permet :

• de dimensionner au mieux la géométrie de la pièce brute. La valeur des sur-épaisseurs d'usinage est le résultat d'un compromis entre le processus d'usinage et la technique d'obtention de la pièce brute.

• de prendre en considération les connaissances sur la qualité de la pièce brute. La qualité des surfaces brutes (dépouille, défaut de forme, état de surface) contraint la candidature des prises de pièce.

• de répartir au mieux les usinages. Seules les surfaces exigeant une qualité incompatible avec le procédé d'obtention de la pièce brute seront usinées, les autres pouvant rester brutes.

Nous abordons ce problème dans cette étude. La pièce brute n'est pas une donnée, seule la technique d'obtention de la pièce brute en est une. Nous estimons alors la géométrie et la qualité de la pièce brute à partir des données que nous avons sur la pièce finie (figure 3.3).

95

96 Chapitre 3

Estimation de la pièce brute

Estimation des états intermédiaires


pièce finie modèle entité d'usinage

Figure 3.3 : estimation de la pièce brute et des états intermédiaires

3.2.3. Les entités de prise de pièce sur les états intermédiaires

La géométrie et la qualité de la pièce évoluent pendant le processus d'usinage. Elles passent de l'état brut à l'état fini d'usinage par une suite de sous-phases d'usinage. Généralement au début de chaque sous-phase, la pièce a une géométrie et une qualité qui ne correspond ni à la description de la pièce finie d'usinage, ni à la description de la pièce brute. Elle est dans un état intermédiaire. Nous allons maintenant identifier les différents états intermédiaires et l'incidence de ceux-ci sur les entités de prise de pièce en nous appuyant sur des exemples industriels. Enfin, nous ferons des propositions pour estimer ces états intermédiaires.

3.2.3.1 Identification du problème

Cas 1 : pas de géométrie intermédiaire nécessaire pour la prise de pièce.

Le support intermédiaire représenté figure 3.4 est obtenu par des usinages localisés à partir d'un brut moulé sous pression. L'ensemble des usinages est réalisé dans une seule sous-phase sur un centre d'usinage quatre axes. La prise de pièce est réalisée sur des surfaces restant brutes. Ces surfaces, assurant la prise de pièce, sont entièrement définies dans la modélisation de la pièce finie. L'analyse des modèles décrivant la pièce permet d'identifier et d'évaluer la prise de pièce retenue. Dans ce cas, l'évolution de la géométrie de la pièce en cours d'usinage n'a aucune incidence sur l'étude des prises de pièce potentielles.

96


Figure 3.4 : Support intermédiaire

Cas 2 : l'état intermédiaire est proche de la pièce finie

Le carter de direction représenté figure 3.5 est obtenu par usinage en deux sous-phases à partir d'un brut moulé sous pression. La géométrie de la pièce brute est proche de celle de la pièce finie car les usinages sont localisés et les sur-épaisseurs d'usinage sont faibles. L'ordre de grandeur des sur-épaisseurs est connu en fonction des dimensions de la pièce, de la position du plan de joint et des connaissances de base sur le moulage sous pression. L'étude de l'ensemble des prises de pièce potentielles doit être réalisée à partir de la géométrie de la pièce brute et à partir de la géométrie intermédiaire résultant de la première sous-phase. L'allure générale de la géométrie restant identique, la géométrie intermédiaire peut être approchée par homotéthie à partir des données liées à la géométrie de la pièce finie et à la description de la pièce à l'aide d'entités d'usinage. La qualité des surfaces de l'état intermédiaire est estimée à partir de la qualité de la pièce brute et de la qualité de la pièce finie car les surfaces usinées dans la première sous-phase ne sont pas usinées à nouveau par la suite. L'ensemble des entités de prise de pièce potentielles est identifié par l'analyse des modèles représentant la pièce. Aucune entité supplémentaire de prise de pièce n'apparaît au cours de l'usinage de la pièce. Seules les valeurs des attributs des entités de prise de pièce sont directement affectées par l'évolution de l'état de pièce en cours d'usinage.

97

98 Chapitre 3

Figure 3.5 : Carter direction

Cas 3 : état intermédiaire de forme spéciale générée au cours du processus d'une entité

Le couvercle représenté figure 3.6 est produit en très petite série. Il est usiné à partir d'un brut cylindrique. Le processus d'usinage est le suivant :

• usinage ébauche de la pièce,

• traitement thermique de stabilisation,

• usinage finition de la pièce.

Figure 3.6 : Couvercle

Les sous-phases concernant l'ébauche de la pièce sont les suivantes : (figure 3.7)

• sous-phase 1 : ébauche de l'alésage et du contour en tournage,

• sous-phase 2 : ébauche de la partie cylindrique extérieure de la pièce en tournage,

98


• sous-phase 3 : perçage des différents trous en fraisage,

• sous-phase 4 : usinage du contour extérieur de la pièce en finition en fraisage.

1

23

4

5

sous-phase 1

1

23

4

5

sous-phase 2

1 2 3

4

5

sous-phase 3

1

23

4

5

6

sous-phase 4 Figure 3.7 : Les différentes sous-phases pour l'usinage du couvercle

Les entités de prise de pièce retenues pendant les sous-phases permettant d'ébaucher la pièce sont réalisées sur des géométries intermédiaires qui ne peuvent pas être identifiées à partir de la géométrie de la pièce finie d'usinage. Les géométries intermédiaires apparaissent puis disparaissent au cours du processus d'usinage de la pièce. En effet, une géométrie permettant une prise de pièce pour les sous-phases 2 et 3 est obtenue en sous-phase 1. Il s'agit de l'ébauche du contour. Cette géométrie disparaît complètement dans la sous-phase 4 lorsque le contour est fini. Cette ébauche a une forme spéciale permettant une prise de pièce efficace pour les sous-phases 2 et 3.

99

100 Chapitre 3

L'état intermédiaire permettant d'assurer la prise de pièce des sous-phases 2 et 3 est directement issu du processus d'usinage de l'entité contour. L'ébauche du contour réalisé dans la sous-phase 1 a deux objectifs :

• le premier est d'enlever le surplus de matière,

• le deuxième est de créer une géométrie ayant une qualité permettant d'assurer les prises de pièce pour les sous-phases suivantes.

L'estimation de l'état intermédiaire permettant d'assurer la prise de pièce des sous-phases 2 et 3 peut cependant être identifiée à partir de la description de la pièce par entités d'usinage. Les processus d'usinage de l'entité alésage A et de l'entité profil de révolution B faisant appel au tournage, la géométrie de la pièce issue des opérations de tournage est alors de révolution. De plus, nous disposons aussi des informations de la pièce brute. Ici, la pièce brute est issue d'un profilé marchand. Il s'agit d'un lopin cylindrique. Ces informations permettent d'orienter l'étude des prises de pièce.

Cas 4 : état intermédiaire obtenu par sur-qualité d'un usinage

Les deux trous assurant le positionnement du couvercle pour toutes les sous-phases de finition sont obtenus en sous-phase 3. La qualité et la position de ces trous assurent la qualité du posage des sous-phases suivantes. Il est alors nécessaire d'augmenter la qualité des deux trous de manière à garantir une mise en position compatible avec la qualité demandée. L'industriel assure une qualité supérieure en usinant les trous avec une qualité 7 au lieu de la qualité demandée par le bureau d'étude et un positionnement à 0,02 à la place de 0,3 demandé par le bureau d'étude.

L'ensemble des entités de prise de pièce potentielles n'est pas remis en cause par l'obtention de cet état intermédiaire. Seules les valeurs des attributs des entités de prise de pièce concernées sont améliorées par cet usinage. De plus, la qualité de posage souhaitée permet de connaître la qualité des usinages des surfaces assurant le posage. Le gammiste dispose alors de toutes les informations pour prendre la décision sur la prise de pièce qui conduit à usiner les surfaces correspondantes avec une meilleure qualité.

Le gammiste doit aussi gérer la modification du processus d'usinage des entités d'usinage correspondantes. En effet, le processus d'usinage est modifié car la qualité demandée exige généralement des opérations d'ébauche supplémentaires ou des opérations de finition. Ces opérations devront être prises en compte dans le raisonnement permettant de concevoir la gamme d'usinage.

Cas 5 : création d'une géométrie spécifique pour obtenir une prise de pièce

100

L'apport des connaissances sur les prises de pièce dans un contexte de conception de gammes d'usinage101

Lorsque le gammiste ne trouve pas de prise de pièce permettant de réaliser le processus d'usinage, il est obligé de créer une prise de pièce spéciale en réalisant des usinages spécifiques. Il s'agit, par exemple, des trous de centre permettant de définir l'axe de révolution de la pièce et d'assurer le posage de la pièce (figure 3.8). Ces usinages n'appartiennent à aucun des processus d'usinage associés aux entités d'usinage décrivant la pièce. La géométrie de la prise de pièce créée spécialement peut être conservée sur la pièce finie ou disparaître au cours des opérations d'usinage suivantes.

Figure 3.8 : création de trous de centre pour assurer le posage d'une pièce de révolution.

L'analyse de la modélisation géométrique de la pièce et la connaissance des opérations d'usinage issue des entités d'usinage permet d'orienter la création d'entités de prise de pièce compatibles avec les usinages. En effet, cette analyse nous informe sur les directions de posage privilégiées et sur les combinaisons de posage les mieux adaptées. Le gammiste dispose alors des informations pertinentes permettant l'estimation de cet état intermédiaire en créant des entités d'usinage supplémentaires. Il est aussi possible d'effectuer une demande vers le concepteur pour que celui-ci adapte la conception de la pièce de manière à garantir des prises de pièce adaptées à toutes les opérations d'usinage.

Cas 6 : état intermédiaire sur plusieurs entités

Il est aussi possible d'obtenir un état intermédiaire en réalisant un usinage qui touche le processus de plusieurs entités. Les processus des entités concernées ne sont plus indépendants entre eux. Cette dépendance génère une contrainte forte qu'il faudra gérer pendant la conception de l'architecture de la gamme.

3.2.3.2 Estimation des états intermédiaires

En nous appuyant sur des cas industriels, nous avons mis en évidence les différentes interactions entre l'état intermédiaire de la pièce et la prise de pièce. Nous proposons de les classer en trois catégories, chacune d'elles permettant d'estimer les états intermédiaires :

101

102 Chapitre 3

• les pièces comportant des usinages légers localisés. Il s'agit généralement de bruts obtenus par fonderie ou forge. Dans ce cas, l'allure générale de la géométrie de la pièce brute est proche de la géométrie de la pièce finie. La connaissance du procédé d'obtention de la pièce brute nous permet d'estimer les sur-épaisseurs d'usinage et par conséquent la géométrie de la pièce brute. Cette estimation est suffisante pour déterminer l'ensemble des entités de prise de pièce. De plus, l'ensemble des entités de prise de pièce est alors déterminé à partir de la géométrie de la pièce finie d'usinage et de la modélisation de celle-ci par entités d'usinage. Seule la valeur des attributs de l'entité de prise de pièce est affectée par l'évolution de la pièce en cours d'usinage.

• les pièces comportant des usinages ébauches enlevant beaucoup de matière. La géométrie et la qualité de la pièce évoluent fortement pendant le processus d'usinage. Nous connaissons la technique d'obtention de la pièce brute. Il est alors possible d'estimer la géométrie et la qualité de la pièce brute. Les opérations d'ébauche vont générer des géométries intermédiaires qui sont a priori inconnues. Ces opérations ayant pour objectif d'enlever le surplus de matière, nous disposons donc d'une certaine liberté pour contraindre cette géométrie en vue d'une prise de pièce. Les processus d'usinage de chaque entité peuvent donc être contraints de manière à obtenir à la fois l'ébauche et une prise de pièce sur cette ébauche.

• les pièces de forme complexe exigeant des usinages particuliers permettant d'assurer la prise de pièce. L'analyse de la géométrie et de la qualité de la pièce permet de détecter la nécessité de créer une géométrie ou une qualité accrue pour assurer une prise de pièce correcte. Le principal problème est de savoir estimer si la qualité est insuffisante. Il faut, dans ce cas, rechercher d'autres entités de prise de pièce.

Nous pouvons donc estimer les prises de pièce sur les états intermédiaires à partir des données que nous avons sur la pièce finie et sur la pièce brute de manière à construire l'ensemble de toutes les prises de pièce potentielles (figure 3.3).

Il est impensable de construire l'ensemble exhaustif de toutes les prises de pièce sur un état intermédiaire de la pièce; le travail est trop important et en très grande partie inutile puisque seulement quelques états intermédiaires existeront (de zéro pour les pièces usinées en une seule sous-phase à deux pour les pièces usinées en trois sous-phases dans la majorité des cas). Nous pouvons nous contenter d'un ensemble très restreint où les solutions éventuelles ne sont pas entièrement définies et seront précisées si, éventuellement, il est fait appel à elles. En effet, l'attribut direction d'appui qui est le plus important pour notre raisonnement peut être facilement connu.

102


Les directions des appuis prépondérants de la pièce finie ou brute sont essentiellement fonction de la morphologie de la pièce. L'ensemble des directions d'usinage d'une pièce est connu. Les usinages ne créent généralement pas de géométrie intermédiaire modifiant cet ensemble de directions. Chaque entité d'usinage est réalisée en suivant une direction d'usinage. L'ensemble des directions d'appui prépondérant est pour l'essentiel un sous-ensemble de l'ensemble des directions d'usinage. La géométrie de ces prises de pièce sur un état intermédiaire de la pièce sera précisée si cette solution est envisagée à partir du travail de l'opération d'usinage et de la qualité souhaitée pour la prise de pièce.

3.2.4. Gestion de la dynamique des entités de prise de pièce

Pendant l'usinage, la pièce passe de l'état brut à l'état fini d'usinage en passant par plusieurs états intermédiaires. L'ensemble des entités de prise de pièce suit aussi cette évolution. Au cours de l'usinage, les prises de pièce sont réalisées sur la pièce brute puis sur des états intermédiaires. L'évolution de l'ensemble des prises de pièce peut être classée en trois catégories :

• les entités de prise de pièce dont les attributs ne sont pas affectés par l'usinage. Il s'agit des entités de prise de pièce faisant appel à une géométrie de la pièce qui n'est pas usinée. Ces entités sont identifiées à partir des modèles représentant la pièce finie et de l'estimation de la pièce brute. Une cohérence entre ces modèles et l'estimation assure l'unicité de ces entités identifiées à la fois sur la pièce finie d'usinage et sur l'estimation de la pièce brute. Ces entités sont candidates pour toutes les sous-phases. Notamment, ce sont les seules disponibles pour la première sous-phase. Il est possible de les estimer à partir des données initiales et elles n'évoluent pas pendant l'usinage.

• les entités de prise de pièce dont les attributs évoluent avec l'état et la qualité de la pièce. Il s'agit des entités de prise de pièce qui existent sur la pièce brute, sur les états intermédiaires et sur la pièce finie d'usinage. Aussi bien les attributs de la géométrie que ceux de la qualité évoluent au cours de l'usinage de la pièce. Ils évoluent d'une manière monotone comme : de la géométrie brute à la géométrie finie, de la qualité correspondant au brut à la qualité correspondant à la surface finie. Ces entités sont identifiées à partir des modèles représentant la pièce finie et de l'estimation de la pièce brute.

• les entités de prise de pièce qui apparaissent et disparaissent aux cours de l'usinage de la pièce. Il s'agit des entités de prise de pièce faisant appel à une géométrie qui est créée ou détruite pendant l'usinage. Ces entités sont identifiées soit à partir de

103

104 Chapitre 3

la pièce brute, soit à partir de l'estimation des états intermédiaires. Ces entités sont déterminées au départ; seuls les attributs impliquant leur existence éventuelle sont évalués au départ. Elles ne pourront devenir des entités de prise de pièce effectives qu'à condition que leurs attributs géométriques puissent être évalués implicitement au cours de la conception de la gamme.

3.2.5. Comment construire l'ensemble des entités de prise de pièce?

Analyse globale de la pièce

Les entités de prise de pièce ont pour fonction de mettre en position et de maintenir la pièce en vue de son usinage. Elles font appel à la géométrie globale de la pièce. C'est pourquoi, seule une analyse globale de la pièce permet de construire l'ensemble des entités de prise de pièce. Cette analyse permet de retenir les prises de pièce qui sont géométriquement et qualitativement correctes. Cette analyse est effectuée en deux temps. Dans un premier temps, l'ensemble des appuis potentiels est construit. Dans un deuxième temps, ces appuis sont combinés pour former des posages puis des entités de prise de pièce.

Construction des appuis possibles

Nous avons mis en évidence, dans le chapitre deux, les attributs des appuis (figure 3.9). La construction des appuis est effectuée de la manière suivante :

• une analyse de la géométrie et de la topologie de la pièce permet de déterminer les surfaces dont la géométrie les rend aptes à être candidates à la fonction appui. Les différents types d'appui font appel à des surfaces planes ou des surfaces cylindriques. Le type d'appui est alors déterminé à partir de la nature de la surface (plane ou cylindrique) et de l'étendue de celle-ci. Cette étendue permet d’évaluer l'étendue de l'appui. Les différents attributs déduits de la géométrie comme la direction d'appui, le repère d'appui et l'accessibilité sont alors calculés. Le lieu des points d'appui n'est pas déterminé car nous ne disposons pas de toutes les informations nécessaires pour mener à bien ce calcul.

• le torseur cinématique et le torseur de réaction d'appui sont alors exprimés dans le repère d'appui. La qualité de chaque appui est évaluée en fonction de la qualité de la (ou des) surface le composant. Elle est calculée à partir du défaut de forme de la surface d'appui, de la présence d’une dépouille éventuelle, de la valeur de l'angle de dépouille et de sa variation et de la présence de bavure éventuelle.

Appui : nom de l'appui

type d'appui

104


direction d'appui

repère d'appui

torseur cinématique d'appui

étendue d'appui

lieu des points d'appui

torseur de réaction d'appui

qualité d'appui

accessibilité à l'appui Figure 3.9 : les attributs d'un appui

De plus, les appuis faisant appel à plusieurs surfaces ayant une même direction d'appui sont aussi construits. Pour éviter de gérer un nombre important de solutions, seuls les appuis faisant appel à la totalité des surfaces ayant une même direction de posage sont évalués. Les autres combinaisons sont implicitement connues à partir de cet ensemble d'appuis. Elles ne seront évaluées que si leur utilisation est envisagée.

Construction des posages

Les attributs du posage, mis en évidence dans le chapitre deux, sont rappelés sur la figure 3.10. La combinaison de trois appuis permet de déterminer le type de posage. Le repère de posage est alors déterminé à partir du type de combinaison d'appuis et des repères d'appui. Le torseur de posage est la somme des torseurs de réaction des appuis du posage. Il est exprimé dans le repère de posage. La qualité de posage est exprimée par le torseur de petit déplacement de la pièce, considérée comme un solide indéformable, calculé à partir de la qualité des différents appuis.

105

106 Chapitre 3

posage : nom du posage

type de posage

repère de posage

torseur de posage

qualité de posage Figure 3.10 : les attributs d'un posage

Construction des entités de prise de pièce

Les entités de prise de pièce sont construites à partir des posages. Les autres attributs (bridage, entités d'usinage accessibles, efforts de bridage et indices de stabilité) mis en évidence dans le chapitre deux (figure 3.11) sont ensuite évalués pour chaque solution de posage.

Le mode de bridage est déterminé en fonction du type de posage. Ce mode permet de retenir une direction d'effort de bridage dans le repère de posage. Une analyse topologique de la pièce suivant cette direction permet de déterminer les surfaces candidates pour assurer la fonction bridage. Le centre de bridage est calculé à partir du centre géométrique des surfaces candidates à la fonction bridage. La répartition de ces surfaces sur la pièce permet d’évaluer la qualité de bridage. Le torseur de bridage est exprimé en fonction de la direction d'effort de bridage et du centre de bridage. Lorsque le mode de bridage est composé (bride plus étau), le torseur de bridage est la somme des deux torseurs associés à chaque mode de bridage.

La liste des entités d'usinage accessibles est évaluée par la position de la direction d'usinage de chaque entité dans le repère de posage et par un calcul d'accessibilité des outils de coupe aux entités d'usinage.

L'équilibre de la pièce soumise aux actions des outils de coupe et à la réaction de la prise de pièce permet d'évaluer les indices de stabilité et l'intensité des efforts de bridage. Ces attributs sont directement dépendants des entités d'usinage et plus particulièrement des opérations d'usinage. Cette évaluation est faite pour chaque entité d'usinage.

106


entité de prise de pièce : nom de prise de pièce

posage

mode de bridage

centre de bridage

torseur de bridage

qualité de bridage

listes des entités d'usinage accessibles

indice de stabilité Figure 3.11 : les attributs d'une entité de prise de pièce

3.2.6. Liste des entités de prise de pièce compatibles avec une entité d'usinage et qualité de posage admissible

Pour chaque entité d'usinage, nous construisons la liste des entités de prise de pièce pour réaliser les opérations d'usinage nécessaires. Une qualité de posage admissible est définie pour chaque couple (entité d'usinage, entité de prise de pièce).

Liste des entités de prise de pièce compatibles avec une entité d'usinage

L'ensemble des prises de pièce potentielles est évalué à partir des différents modèles représentant la pièce. Cet ensemble n'est pas complètement explicité, avant la conception de la gamme d'usinage. De plus, tous les attributs ne sont pas évalués dès cet instant. Seules les entités de prise de pièce ayant suffisamment d'attributs évalués peuvent être retenues. Cette évaluation se fait pendant tout le processus de conception de la gamme d'usinage. Les solutions implicites peuvent être aussi explicitées et évaluées pendant la conception de la gamme d'usinage.

L'évaluation de l'ensemble des attributs des entités de prise de pièce n'est pas toujours nécessaire. En effet, pendant le raisonnement permettant de concevoir la gamme d'usinage, le gammiste ne retient que les appuis permettant de respecter la qualité demandée. L'appui prépondérant est systématiquement choisi. Les appuis d'orientation et de butée sont choisis si une relation avec une entité d'usinage l'exige. Dans le cas contraire, la détermination de la combinaison des appuis est reportée à l'étude de la sous-phase.

Evaluation de la qualité de posage admissible

L'entité d'usinage concernée est liée aux autres entités de la pièce par des relations de positionnement. La qualité minimale de posage assurant l'obtention de la qualité de positionnement imposée avec l'entité d'usinage est calculée à partir du mouvement de la pièce, considérée comme un solide indéformable, généré par les erreurs de contact

107

108 Chapitre 3

des différents points d'appui sur la pièce. Le mouvement possible de la pièce est alors calculé de manière à garantir que la géométrie appartenant à l'entité d'usinage reste dans son intervalle de tolérance. Ce calcul est possible en déterminant un intervalle de tolérance appartenant à l'entité d'usinage à partir des tolérances des relations liant l'entité d'usinage aux autres entités. Il est alors indispensable de convertir les tolérances des relations en une donnée intrinsèque à l'entité. Pour Boerma, [Boerma 88] les relations lient une entité considérée comme référence à une autre entité. La tolérance est alors seulement répartie sur l'entité qui n'est pas référence. Cette répartition élimine des solutions de posage qui sont potentiellement viables et par conséquent contraint fortement le raisonnement du gammiste. De plus, toutes les références des relations ne sont pas explicitées par le concepteur du produit ou par la norme. Vu la difficulté d'identifier la référence de chaque relation et pour conserver le maximum de solutions viables, nous proposons une répartition qui affecte les deux entités concernées par la relation. La répartition de la tolérance est appelée facteur de tolérance.

Prenons, par exemple, une relation entre deux entités d'usinage E1 et E2 ayant une tolérance de 0,1 (figure 3.13). Le facteur de tolérance de chaque entité FTi est défini par

les équations 3.1. α est le coefficient de répartition entre les deux entités d’usinage qui n’est pas facile à évaluer. En prenant α = 0.5, nous considérons que l’obtention de la qualité de l’entité E1 est aussi difficile que l’obtention de la qualité de l’entité E2. Dans notre exemple, FT1 et FT2 sont alors égaux à 0,05. Nous ne désespérons pas d’avoir,

dans quelque temps, une répartition plus intelligente intégrant de manière plus fine les difficultés de réalisation des entités d’usinage; α prendrait alors toute valeur de zéro à un.

FT1 = α . Tol;

FT2 = (1-α) . Tol avec α [0,1] (3.1)

E1 E2Tol = 0,1

E2E1

FT = 0,051FT = 0,052

Figure 3.13 : exemple d'une relation entre entités traduite en facteurs de tolérance

Généralement, une entité est liée par un ensemble de relations aux autres entités de la pièce (figure 3.14). Pour chaque relation, nous calculons un facteur de tolérance. Chaque relation Rj entre l'entité i et une autre entité ayant une tolérance Tolj, nous

108


donne une répartition en facteur de tolérance FTij de l'entité i pour la relation j en

appliquant l'équation 3.1. Nous obtenons alors le système d'équations 3.2. Comme le facteur de tolérance FTi attaché à une entité i est unique, la valeur des facteurs de tolérance FTij est égale quelle que soit la relation j impliquant l'entité i. De plus, la

valeur retenue est issue de la relation la plus contraignante c'est-à-dire la valeur minimum de l'ensemble des facteurs de tolérance FTij de l'entité i. Pour assurer une

cohérence entre toutes les relations, les tolérances sont réparties de la plus serrée à la plus large.

E4

E3

E2

E6

E1E5

Figure 3.14 : ensemble des relations entre entités d'usinage

R1 : FT51 = α1 . Tol1 et FT41 = (1-α1) . Tol1





R6 : FT26 = α6 . Tol6 et FT66 = (1-α6) . Tol6 (3.2)

En utilisant la méthode d'optimisation décrite par Bourdet [Bourdet 76], les facteurs de tolérances prennent les valeurs suivantes :

FT1 = 0,03; FT2 = 0,06; FT3 = 0,03; FT4 = 0,05; FT5 = 0,05; FT6 = 0,06

Nous exprimons le petit mouvement possible de la pièce, considérée comme un solide indéformable, compatible avec le facteur de tolérance de l'entité d'usinage. Ce mouvement est modélisé par un torseur de petit déplacement. Il est exprimé dans le repère de l'entité d'usinage. La petite rotation est calculée à partir du facteur de tolérance et de l'étendue des dimensions de l'entité d'usinage. La translation est

109

110 Chapitre 3

directement fonction du facteur de tolérance. La figure 3.15 montre l'exemple du torseur de petit déplacement d'une entité face plane.

xy

z

l

L

FT rotation : /x : α = FT/l /y : β = FT/L /z : γ indéterminée /x : u indéterminée /y : v indéterminée /z : w = FT

translation :

Figure 3.15 : torseur de petit déplacement d'une entité face plane.

Pour calculer la qualité de posage, le torseur est exprimé dans le repère de posage. Il exprime le petit déplacement de la pièce dû aux défauts de position de la pièce dans le référentiel de la machine-outil. Ces défauts sont principalement dus à la qualité de posage. Le torseur de petit déplacement permet d'exprimer la qualité minimale admissible de chaque appui composant le posage pour respecter les relations entre entités. Cette répartition sur chaque appui n'est pas unique. En effet, il existe généralement plusieurs combinaisons de valeurs de qualité des différents appuis permettant d'obtenir le même torseur de petit déplacement.

La qualité de l'appui prépondérant exprime le défaut de mise en position de la pièce dû au défaut de forme de la (ou des) surface assurant l'appui et au défaut de contact entre la surface appartenant à la pièce et celle appartenant à l'appui. Pour l'appui d'orientation, de centrage ou de butée, la dispersion exprime le défaut de forme de la surface assurant l'appui, le défaut de contact entre la pièce et l'appui et la relation de perpendicularité entre cet appui et l'appui prépondérant ou l'appui d'orientation.

La qualité minimale admissible de chaque appui nous donne une indication sur la difficulté de respecter la relation la plus contraignante. Nous pouvons classer ces difficultés en trois classes :

• la qualité minimale admissible de l'appui est meilleure que la qualité de l'appui réalisé sur une géométrie finie d'usinage. Les opérations de finition des entités liées par la (ou les) relation imposant le facteur de tolérance doivent être regroupées prioritairement dans une même sous-phase, car seule la précision de la machine-outil intervient alors dans le respect de la (ou des) tolérance. Si ce regroupement est impossible, il n'existe pas de solution. Nous obtenons un cas d'échec qui est analysé à la fin de ce chapitre.

110


• la qualité minimale admissible de l'appui est meilleure que la qualité de l'appui réalisé sur la pièce brute. Les opérations de finition des entités liées par la (ou les) relation imposant le facteur de tolérance sont réalisées soit dans la même sous-phase, soit dans deux sous-phases différentes. Dans ce cas, la mise en position de la pièce, pour réaliser l'opération de finition de l'entité considérée, est effectuée prioritairement sur la géométrie déjà usinée de l'entité d'usinage liée à celle-ci par la tolérance la plus serrée.

• la qualité minimale admissible de l'appui est moins bonne que la qualité de l'appui réalisé sur la pièce brute. Les opérations de finition des entités liées par la (ou les) relation ne pose pas de problème particulier. Toutes les solutions de regroupement des opérations dans les différentes sous-phases et tous les posages potentiels permettent de respecter ces relations entre entités.

Evaluation des efforts de bridage et des indices de stabilité

Pendant l'usinage, la pièce est soumise à l'action des efforts de coupe, à l'action du bridage, à la réaction du posage et à son poids. L'estimation des efforts de coupe est dépendante de l'opération d'usinage. Les efforts correspondant aux opérations d'ébauche sont retenus car ils correspondent aux efforts maximums exercés par l'outil de coupe sur la pièce. Les efforts de bridage et les réactions de posage sont alors calculés en effectuant l'équilibre de la pièce. Ces efforts de bridage sont compatibles avec toutes les opérations d'usinage de l'entité d'usinage. Les indices de stabilité calculés à partir de la réaction de posage sont les plus critiques pour les opérations d'ébauche. Ils augmentent lorsque la pièce est soumise aux actions des outils de coupe correspondant aux opérations de finition.

3.3. Comment le gammiste manipule-t-il cet ensemble?

Au cours de son travail, le gammiste applique un ensemble de règles expertes et son savoir faire [Brissaud 92a] pendant la conception de l'architecture de la gamme d'usinage. Ces règles font appel principalement :

• aux relations liant les entités entre elles. Les opérations d'usinage permettant d'obtenir les relations ayant des tolérances serrées sont regroupées, en fonction des possibilités des machines-outils disponibles, dans une même sous-phase. Cette condition permet de prendre le maximum de garanties pour respecter la tolérance associée à chaque relation. En effet, seule la précision de la machine-outil influence la qualité de l'usinage. Lorsque le regroupement n'est pas possible, la relation est respectée en réalisant l'opération de finition d'une des deux entités en étant en

111

112 Chapitre 3

appui sur l'autre. La tolérance de la relation est alors directement dépendante de la précision de la machine-outil et de la dispersion de mise en position de la pièce sur la machine. L'évaluation de la qualité de posage de chaque entité de prise de pièce compatible avec une entité d'usinage met en évidence la difficulté, voire l'impossibilité, de respecter certaines relations dans des sous-phases différentes. Ces relations sont traitées en priorité.

• aux prises de pièce. Une prise de pièce est associée à chaque sous-phase; c'est-à-dire à chaque opération d'usinage de la sous-phase. Pour garantir une bonne qualité de posage, la prise de pièce est généralement réalisée sur une géométrie déjà usinée. Il s'agit donc d'usiner, dans la première sous-phase, les entités d'usinage dont la géométrie pourra assurer un posage pour les sous-phases suivantes. La prise de pièce de la première sous-phase qui est réalisée sur la pièce brute assure la position des premiers usinages dans le référentiel de la pièce. La connaissance de l'ensemble des entités de prise de pièce et la cohérence entre les modèles entité de prise de pièce et entité d'usinage permet d'orienter le choix des premiers usinages.

• les directions d'usinage. Le regroupement des opérations d'usinage n'est possible que si la machine-outil permet aux outils de coupe d'accéder aux surfaces à usiner. La condition de dépendance entre entité d'usinage, entité de prise de pièce et cinématique de machines-outils permet de regrouper les opérations d'usinage de manière à obtenir un nombre minimal de sous-phases.

Nous avons formalisé les différents modèles manipulés par le gammiste. Nous montrons maintenant comment le gammiste manipule ces différents modèles. Dans un premier temps, il établit les liens entre le modèle entité d'usinage, le modèle entité de prise de pièce et la cinématique des machines-outils disponibles. Dans un deuxième temps, il applique des fonctions en respectant un ensemble de contraintes. Ces fonctions sont :

• regrouper deux opérations d'usinage dans la même sous-phase,

• imposer ou interdire une machine-outil,

• imposer ou interdire une prise de pièce.

La principale fonction utilisée par le gammiste est le regroupement des opérations d'usinage de deux entités d'usinage dans la même sous-phase. Nous nous intéresserons plus particulièrement à celle-là.

112


3.3.1. Lien entité d'usinage - entité de prise de pièce - cinématique de la machine-outil

Le lien entre une entité d'usinage et une prise de pièce permet de définir l'orientation du montage d'usinage sur la machine-outil. En effet, l'orientation de la direction d'usinage vis-à-vis de l'appui prépondérant permet de savoir si le montage d'usinage est monté directement sur la table de la machine ou sur une équerre.

Les différentes cinématiques de machine-outil

La cinématique de la machine-outil représente l'ensemble des mouvements, appelés aussi axes, possibles de l'outil de coupe devant la pièce. Les fraiseuses et les centres d'usinage disposent systématiquement des trois mouvements de translation le long des axes X, Y, et Z (figure 3.16). Il est cependant possible d'utiliser des centres d'usinage ayant des axes supplémentaires. Il s'agit généralement d'une ou de deux rotations de la table sur laquelle est monté le montage d'usinage (figure 3.16).

X

Y Z

B

3 axes 4 axes 4 axes et équerre

Z

YX

Z

YX

B

Figure 3.16 : exemples de cinématique de machine-outil

La position de la broche par rapport à la table permet d'obtenir plusieurs configurations possibles des machines-outils. La figure 3.17 montre l'ensemble des configurations existantes. MTC1 et MTC2 représentent l'usinage sur un centre d'usinage trois axes. Dans le cas de MTC1, la direction d'usinage Z est paralléle à la direction de posage de l'appui prépondérant N schématisé par la table de la machine (MTC1). Dans le cas de MTC2, la direction d'usinage Z est perpendiculaire à la direction de posage de l'appui prépondérant N. Cette solution est aussi obtenue en montant une équerre sur MTC1. Pour ces deux configurations, une seule direction d'usinage est possible lorsque la direction de posage est fixée. MTC3 et MTC4 représentent l'usinage sur un centre d'usinage 4 axes. Dans le cas de MTC3, la direction de posage de l'appui prépondérant N est parallèle à l'axe de rotation du plateau R1. La direction d'usinage Z est perpendiculaire à l'axe de rotation du plateau R1. Nous avons donc quatre directions

d'usinage possibles qui sont perpendiculaires à la direction de posage de l'appui prépondérant. Dans le cas MTC4, la direction de posage de l'appui prépondérant N est

113

114 Chapitre 3

perpendiculaire à l'axe de rotation du plateau. Nous n'avons plus que trois directions d'usinage parmi les quatre car il n'est pas possible d'usiner à travers l'équerre. Les directions d'usinage et la direction de posage de l'appui prépondérant sont dans un plan qui est perpendiculaire à l'axe de rotation du plateau. MTC5 et MTC6 représente l'usinage sur un centre d'usinage 5 axes. Dans le cas de MTC5, il est possible d'atteindre les cinq directions d'usinage qui se situent dans le demi-espace supérieur à l'appui prépondérant. Dans le cas de MTC6, une équerre est montée sur la table de la machine. Il reste donc quatre directions d'usinage possibles parmi les cinq. Dans la suite de notre étude, nous nous intéressons principalement aux quatre premières configurations représentant l'usinage sur des centres d'usinage trois et quatre axes.

Figure 3.17 : Les différentes configurations des centres d'usinage.

Nous avons mis en évidence les combinaisons, de direction de posage de l'appui prépondérant et de direction d'usinage, possibles suivant les configurations des machines-outils. Les possibilités de posage et de bridage sont aussi dépendantes de ces configurations. Dans le cas de la configuration MTC1, les possibilités de la machine-outil laissent un espace important pour le posage et le bridage de mode étau. Par contre, le dispositif de bridage de mode bride se trouve dans l'espace susceptible d'être

114


parcouru par les outils de coupe. Les risques de collision entre les outils de coupe et les brides sont importants. Pour la configuration MTC2, le dispositif de bridage de mode étau se trouve dans l'espace susceptible d'être parcouru par les outils de coupe. Les risques de collision entre les outils de coupe et les crampons plaqueurs sont importants. Pour les configurations MTC3, MTC4, MTC5 et MTC6, les possibilités d'usinage étant plus importantes, les risques de collision entre les éléments assurant le posage et le bridage sont importants. Il n'est pas toujours possible d'exploiter toutes les possibilités de la machine-outil car il n'existe plus d'endroit disponible pour placer le dispositif de bridage.

La construction des liens

Les regroupements des différentes opérations d'usinage associées à chaque entité d'usinage sont fortement contraints par la configuration de la machine-outil et la solution adoptée pour la prise de pièce. Il s'agit maintenant d'exprimer ces contraintes de manière à coupler les entités d'usinage, les entités de prise de pièce et les configurations des machines-outils disponibles.

Nous disposons de l'ensemble des prises de pièce potentielles par entité d'usinage. Nous associons maintenant les configurations des machines-outils compatibles avec cet ensemble. Pour cela, nous analysons la direction d'usinage, notée

! Erreur

a∅ • u∅ = 0 MTC2, MTC3, MTC4(3.3)

a∅ • u∅ = 1 MTC1, MTC4(3.4)

a∅ • u∅

Erreur

> 0 MTC4 avec • : produit scalaire(3.5)

Prenons l'exemple représenté figure 3.18. Les directions d'usinage des entités E1 à E4 sont représentées par les vecteurs

!

• l'opération d'usinage de l'entité E1 est réalisable en étant en appui prépondérant sur A1, A2, A3, A4



115

116 Chapitre 3

• l'opération d'usinage de l'entité E4 est réalisable en étant en appui prépondérant sur A1, A3, A4

u1

u2

u3

u4

a3

a4

a1

a2

Figure 3.18 : la pièce et les directions de posage et d'usinage

L'ensemble des configurations de machines-outils compatibles pour chaque usinage est construit à partir de la connaissance des directions d'usinage

! Erreur Opération d'usinage de l'entité E1 :

si appui A1, alors, il faut une configuration MTC1 ou MTC4 (a1∅ •u1∅ = 1)

si appui A2, alors, il faut une configuration MTC2 ou MTC3 ou MTC4 (a2

∅ • u1∅ = 0)


∅ • u1∅ = 0)


∅ • u1∅ = 0)

116


MTC2

MTC3MTC4

MTC4MTC1 MTC2

MTC3MTC4

MTC2

MTC3MTC4

A2A1 A3 A4

opération d'usinageentité d'usinage1

Figure 3.19 : liens entre l'entité d'usinage 1, les appuis et les configurations des machines outils. ( = ou exclusif)

Comme il n'est pas possible de gérer toute l'arborescence, le lien entre l'entité d'usinage, les prises de pièce et les configurations de machines-outils est le suivant (figure 3.20) :

opération d'usinage de l'entité E1; Prise de pièce A1, A2, A3, A4: configuration MTC1, MTC2, MTC3, MTC4

que nous écrivons aussi sous la forme PdP1,MTC1.

MTC = MTC1, MTC2, MTC3, MTC41

PdP = A1, A2, A3, A41

opération de l'entité 1

Figure 3.20 : lien entité d'usinage, prise de pièce et machine-outil

De même pour les autres entités d'usinage :

Opération d'usinage de l'entité E2; prise de pièce A1, A2, A3, A4; configuration MTC2, MTC3, MTC4

Opération d'usinage de l'entité E3; prise de pièce A1, A2, A3, A4; configuration MTC1, MTC2, MTC3, MTC4

Opération d'usinage de l'entité E4; prise de pièce A1, A3, A4; configuration MTC1, MTC2, MTC3, MTC4

Nous avons pour chaque entité d'usinage la liste des entités de prise de pièce que nous notons PdPi et la liste des configurations des machines-outils que nous notons

117

118 Chapitre 3

MTCi. La liste PdPi représente l'ensemble des couples (posage P, bridage B). Le

posage est composé de trois appuis dont l'appui prépondérant A.

Nous allons maintenant exprimer les conditions permettant de regrouper deux opérations d'usinage dans une même sous-phase.

3.3.2. Regroupement de deux opérations dans une même sous-phase

Lors du regroupement de deux opérations d'usinage i et j dans une même sous-phase, la liste des prises de pièce potentielles de la sous-phase, notée PdPi+j, est incluse dans

l'intersection des deux listes correspondantes aux deux processus i et j (condition 3.6). Seules les entités de prise de pièce dont le posage et le bridage sont compatibles avec le processus d'usinage de la sous-phase sont retenues. De même, la liste MTCi+j des configurations de machines-outils compatibles avec la sous-phase est incluse dans l'intersection des deux listes MTCi, MTCj (condition 3.7).

PdPi+j ℘ PdPi ↔ PdPj (3.6)

MTCi+j ℘ MTCi ↔ MTCj (3.7)

Ces conditions ne sont pas suffisantes car elles ne traduisent pas les possibilités des machines-outils et les contraintes entre les directions d'usinage et les directions de posage des appuis prépondérants. De plus, les conditions d'accessibilité des outils de coupe aux usinages ne sont pas vérifiées. Nous explicitons maintenant l'ensemble des contraintes à propager pour obtenir la liste des entités de prise de pièce potentielles en évaluant l'ensemble des attributs et la liste des configurations de machines-outils.

Gestion des directions de posage et d'usinage

Les configurations MTC1 et MTC2 sont maintenues dans la liste si :

• les configurations font déjà partie de la liste des configurations possibles MTCi+j

du regroupement des opérations d'usinage i et j,

• les opérations d'usinage regroupées dans la sous-phase sont effectuées suivant une seule direction d'usinage. Le centre d'usinage trois axes est maintenu dans la liste (configuration MTC1 ou MTC2) si parmi l'ensemble des directions d'usinage des opérations d'usinage i et j, notées Ui et Uj, il existe au moins un couple

(u∅, v∅) tel que le produit scalaire (u∅ • v∅) est égal à un.

Ces conditions sont exprimées par la règle suivante :

118


MTC = MTCi ↔ MTCj

si MTC ↔ MTC1, MTC2 ℘ MTC1, MTC2 alors si Ui ↔ Uj alors MTCi+j = MTC

Ui+j = Ui ↔ Uj sinon MTCi+j = MTC - MTC1, MTC2

finsi

finsi

Les configurations MTC3 et MTC4 sont maintenues si :

• les configurations MTC3 et MTC4 font partie de la liste des configurations possibles MTCi+j du regroupement des opérations d'usinage i et j,

• le centre d'usinage quatre axes est maintenu dans la liste (configuration MTC3) si parmi l'ensemble des directions d'usinage des opérations d'usinage i et j, notées Ui et Uj, il existe au moins un couple

(! Erreur

Erreur

• le centre d'usinage quatre axes équerre est maintenu dans la liste (configuration MTC4) si parmi l'ensemble des directions d'usinage des opérations d'usinage i et j, notées Ui et Uj, il existe au moins un couple

(!

Ces conditions sont exprimées par la règle suivante :

A =Ai ↔ Aj

MTC = MTCi ↔ MTCj

si MTC ↔ MTC3, MTC4 ℘ MTC3, MTC4 alors MTCi+j = MTC - MTC3, MTC4

Ai+j =

∀ (u∅

, v∅

) Ui x Uj ; on pose u∅

v∅

= k . B∅

avec k ←, u∅

, v∅

, B∅

normés

pour tout a∅

A;

cas| B∅

• a∅

| = 1 alorsMTCi+j = MTCi+j ≈ MTC3

Ai+j = Ai+j ≈ a∅

cas| B∅

• a∅

| = 0 alorsMTCi+j = MTCi+j ≈ MTC4

Ai+j = Ai+j ≈ a∅

119

120 Chapitre 3

finsi

L'application de ces règles sur l'exemple représenté figure 3.18 en gérant uniquement l'appui prépondérant nous donne :

• regroupement de l'opération d'usinage de l'entité E1 et de l'opération d'usinage de l'entité E2 :

Opération de l'entité E1; prise de pièce A1, A2, A3, A4; configuration MTC1, MTC2, MTC3, MTC4

Opération de l'entité E2; prise de pièce A1, A2, A3, A4; configuration MTC2, MTC3, MTC4

d'où : A = A1 ↔ A2 = A1, A2, A3, A4

MTC = MTC1 ↔ MTC2 = MTC2, MTC3, MTC4

condition pour retenir le trois axes (configuration MTC2) :

MTC V MTC1, MTC2) = MTC2 Ui ↔ Uj =

alors MTC1+2 = MTC - MTC1, MTC2 = MTC3, MTC4

condition pour maintenir le quatre axes (configuration MTC3 ou MTC4) : MTC1+2V MTC3, MTC4 = (MTC3, MTC4) alors

MTC1+2= MTC - MTC3, MTC4 =

A1+2=

on pose u1∅

Λ u2∅

= B∅

| B∅

• a1∅

| = 0 alors MTC1+2 = MTC1+2 v MTC4 = MTC3;

A1+2= A1+2v a1∅

= a1∅

| B∅

• a2∅

| = 1 alors MTC1+2 = MTC1+2 v MTC3 = MTC3, MTC4;

A1+2= A1+2v a2∅

= a1,∅

, a2∅

| B∅

• a3∅

| = 1 alorsMTC1+2 = MTC1+2 v MTC3 = MTC3, MTC4;

A1+2= A1+2v a3∅

= a1,∅

, a2∅

, a3∅

| B∅

• a4∅

| = 0 alors MTC1+2 = MTC1+2 v MTC4 = MTC3, MTC4;

A1+2= A1+2v a4∅

= a1,∅

, a2∅

, a3∅

, a4∅

conclusion :

Opération d'usinage de l'entité E1 + opération d'usinage de l'entité E2; prise de pièce A1, A2, A3,

A4; configuration MTC3, MTC4

• regroupement de l’opération d'usinage de l'entité E2 et de l’opération d'usinage de l'entité E4 :

Opération d'usinage de l'entité E2; prise de pièce A1, A2, A3, A4; configuration MTC2, MTC3,

MTC4

120


Opération d'usinage de l'entité E4; prise de pièce A1, A3, A4; configuration MTC1, MTC2, MTC3,

MTC4

d'où : A = A2 ↔ A4 = A1, A3, A4

MTC = MTC2 ↔ MTC4 = MTC2, MTC3, MTC4

condition pour maintenir le trois axes (configuration MTC2) : MTC2+4 V MTC1, MTC2 = MTC2 alors

U2 ↔ U4 =

MTC2+4 = MTC - MTC2 = MTC3, MTC4

condition pour maintenir le quatre axes (configuration MTC3 ou MTC4) : MTC2+4V MTC3, MTC4 = MTC3, MTC4 alors

MTC2+4= MTC2+4 - MTC3, MTC4 =

A2+4=

on pose u1∅

Λ u2∅

= B∅

| B∅

• a1∅

| = 0,7 alorsMTC2+4 =

A2+4 =

| B∅

• a3∅

| = 0 alorsMTC2+4 = MTC2+4 v MTC4 = MTC4

A2+4 = A2+4 v a3∅

= a3∅

| B∅

• a4∅

| = 0,7 alorsMTC2+4 = MTC4

A2+4 = A2+4 = a3∅

conclusion :

Opération d'usinage de l'entité E1 + opération d'usinage de l'entité E2; prise de pièce A3;

configuration MTC4

121

122 Chapitre 3

• regroupement des opérations d'usinage des entités E1 et E2 et de l'opération d'usinage de l'entité E3 :

opérations d'usinage des entité E1 et entité E2; prise de pièce A1, A2, A3, A4; configuration

MTC3, MTC4

opération d'usinage de l'entité E3; prise de pièce A1, A2, A3, A4; configuration MTC1, MTC2,

MTC3, MTC4

d'où : A =A1+2 ↔ A3 = A1, A2, A3, A4

MTC = MTC1+2 ↔ MTC3 = MTC3, MTC4

condition pour retenir le quatre axes (configuration MTC3 ou MTC4) :

MTC V MTC3, MTC4 = MTC3, MTC4 alors MTC(1+2)+3= MTC- MTC3, MTC4 =

A(1+2)+3 =

on pose u1∅

Λ u2∅

= B∅

on pose u1∅

Λ u3∅

= B∅

regroupement possible

| B∅

• a1∅

| = 0 alors MTC(1+2)+3 = MTC(1+2)+3 v MTC4 = MTC3;

A(1+2)+3= A(1+2)+3 v a1∅

= a1∅

| B∅

• a2∅

| = 1 alors MTC(1+2)+3 = MTC1+2 v MTC3 = MTC3, MTC4;

A(1+2)+3= A(1+2)+3 v a2∅

= a1,∅

, a2∅

| B∅

• a3∅

| = 1 alorsMTC(1+2)+3 = MTC1+2 v MTC3 = MTC3, MTC4;

A(1+2)+3= A(1+2)+3 v a3∅

= a1,∅

, a2∅

, a3∅

| B∅

• a4∅

| = 0 alors MTC(1+2)+3 = MTC1+2 v MTC4 = MTC3, MTC4;

A(1+2)+3= A(1+2)+3 v a4∅

= a1,∅

, a2∅

, a3∅

, a4∅

conclusion :

opération d'usinage de l'entité E1+ opération d'usinage de l'entité E2 + opération d'usinage de

l'entité E3; prise de pièce A1, A2, A3, A4; configuration MTC3, MTC4

• regroupement des opérations d'usinage des entités E1 et E2 et de l'opération d'usinage de l'entité E4 :

Opération d'usinage des entités E1+E2; prise de pièce A1, A2, A3, A4; configuration MTC3,

MTC4

Opération d'usinage de l'entité E4; prise de pièce A1, A3, A4; configuration MTC1, MTC2, MTC3,

MTC4

d'où : A =A1+2 ↔ A4 = A1, A3, A4

122


MTC = MTC1+2 ↔ MTC4 = MTC3, MTC4

condition pour retenir le quatre axes : MTC(1+2)+4 V MTC3 , MTC4 = MTC3, MTC4 alors

MTC(1+2)+4= MTC(1+2)+4- MTC3,MTC4 =

on pose u1∅

Λ u2∅

= B∅

on pose u1∅

Λ u4∅

= B'∅

B∅

, B'∅

= 0 non colinéaire donc regroupement impossible

conclusion :

Les opérations d'usinage des entités d'usinage E1 E2 E4 ne sont pas regroupables.

Evaluation de l'accessibilité

Le regroupement des opérations d'usinage au sein d'une même sous-phase restreint l'espace disponible pour placer le dispositif de bridage. Un calcul d'accessibilité des outils de coupe aux différentes entités d'usinage est alors nécessaire pour s'affranchir de l'existence d'un espace suffisant pour placer le dispositif de bridage. Cette accessibilité est évaluée en promenant le dispositif de bridage sur la pièce en retenant les lieux où celui-ci ne rentre pas en collision avec la pièce et le volume occupé par les outils de coupe. Les entités de prise de pièce n'ayant plus de solution de bridage sont alors éliminées de la liste des prises de pièce compatibles avec le processus d'usinage de la sous-phase. De plus, l'ensemble des lieux potentiels pour placer le dispositif de bridage permet de calculer de nouveau le centre de bridage correspondant à l'entité de prise de pièce.

Evaluation de l'intensité de l'effort de bridage

Les opérations d'usinage regroupées dans la même sous-phase sont généralement exécutées de manière séquentielle. Pour chaque entité de prise de pièce potentielle associée à la sous-phase, l'attribut intensité de l'effort de bridage est évalué en retenant la valeur maximale correspondant aux deux opérations d'usinage (figure 3.21). Cette évaluation est acceptable si le centre de bridage reste sensiblement au même endroit. Un calcul des efforts de bridage et des indices de stabilité est nécessaire si la position du centre de bridage est modifiée suite au regroupement des deux opérations d'usinage.

OP1 OP2 OP12

FB1 FB2 Max (FB1,FB2)

même sous-phase Figure 3.21 : évaluation de l'intensité de l'effort de bridage suite au regroupement de deux opérations d'usinage OP1 et OP2

123

124 Chapitre 3

Evaluation des indices de stabilité

Pour chaque entité de prise de pièce potentielle associée à la sous-phase, l'attribut intensité de l'effort de bridage est évalué en retenant la valeur maximale correspondant aux deux opérations d'usinage si le centre de bridage reste sensiblement au même endroit. Les indices de stabilité associés à l'opération correspondant à l'effort de bridage retenu sont inchangés. Par contre, les indices de stabilité associés à l'autre opération doivent être recalculés.

Evaluation de la qualité de posage admissible

La qualité de posage associée à chaque couple (entité d'usinage, entité de prise de pièce), prend en considération l'ensemble des relations liant l'entité d'usinage considérée aux autres entités (figure 3.22). Le regroupement des différentes opérations d'usinage associées aux entités d'usinage modifie l'ensemble des relations à prendre en compte pour le calcul de la qualité. En effet, les tolérances des relations liant les entités réalisées dans la même sous-phase sont fonction de la précision de la machine-outil et leur respect est indépendant de la prise de pièce. Seules, les relations R34, R45 et R14

liant les entités d'usinage réalisées dans une même sous-phase aux entités d'usinage qui ne sont pas réalisées dans cette sous-phase, sont prises en considération pour le calcul de la qualité (figure 3.22). Les entités liées par les relations les plus serrées étant généralement regroupées dans la même sous-phase, les tolérances sont assurées par la machine-outil. La qualité de posage nécessaire a donc tendance à diminuer à mesure des regroupements des opérations d'usinage. La qualité de la géométrie de posage s'améliore aussi. La qualité du posage de pièce est alors plus facile à assurer. Le calcul de la qualité de posage est effectué de la même manière que précédemment en retenant seulement R34, R45 et R14. Le calcul doit être refait à chaque regroupement d'opérations

d'usinage quand la relation la plus serrée ne fait plus appel à la prise de pièce.

E1

E2

E4

E3

E5

R

E6

R 12

13

R 14R 45

R 34

R 26

même sous-phase

124


Figure 3.22 : évolution de la qualité de posage pendant la conception de l'architecture de la gamme d'usinage.

3.3.3. Détermination des cas où il n'existe pas d'entité de prise de pièce

L'étude que nous avons menée permet de s'apercevoir, avant le processus de conception de la gamme d'usinage, s'il existe au moins une prise de pièce adaptée à chaque entité d'usinage. L’absence d’une prise de pièce adaptée peut être due à l'absence de surfaces susceptibles d'assurer un posage ou un bridage, ou à une qualité de posage incompatible avec la qualité à obtenir sur la pièce. Pour remédier à cette absence le gammiste peut prendre les décisions suivantes :

• création des entités de prise de pièce manquantes par usinage. Les surfaces susceptibles d'assurer le posage ou le bridage sont alors créées par usinage. Ces entités de prise de pièce sont donc effectuées sur un état intermédiaire de la pièce en cours d'usinage. Généralement ces surfaces disparaissent en cours d'usinage de manière à obtenir une pièce finie d'usinage conforme au dessin de définition.

• modification de la qualité des usinages des surfaces participant à la prise de pièce de manière à améliorer la qualité de posage.

• retour vers la conception. Le gammiste informe alors le concepteur de la difficulté d'usiner la pièce par manque de prises de pièce adaptées. Le concepteur peut revoir la conception de la pièce. Il ajoute des géométries adaptées pour la prise de pièce. L'idéal serait de prendre en compte ces contraintes de manière à éviter les aller et retour qui augmentent sérieusement le coût et les délais de production. Dans le chapitre 5, nous mettons en place la démarche à adopter pour concevoir un produit dans un contexte de conception intégrée en prenant en considération l'ensemble des contraintes des différents métiers intervenant dans la vie du produit.

125

126 Chapitre 4

126

MIAP : notre module informatique sur les prises de pièce 127

4. MIAP : notre module informatique sur les prises de pièce

Pour valider et évaluer les performances du modèle entité de prise de pièce, nous avons développé un module informatique appelé MIAP. L'architecture et le fonctionnement du module sont présentés dans ce chapitre. Les résultats obtenus sont présentés en appliquant le module sur une pièce industrielle.

127

128 Chapitre 4

4.1. Présentation du module MIAP

Pour valider le concept d'entité de prise de pièce que nous avons présenté dans les chapitres précédents, nous avons développé un module informatique, appelé MIAP MIse et mAintien en Position, qui permet de créer l'ensemble des prises de pièce potentielles pour l'usinage d'une pièce donnée. Il travaille à partir d'une description géométrique de la pièce finie d'usinage et d'une description de la pièce par entités d'usinage. Une part importante du raisonnement étant géométrique, ce module est intégré dans un environnement CAO, ce qui nous permet de nous appuyer sur les fonctions et les manipulations de la géométrie très performantes dans ces logiciels. Nous avons donc implanté ce module dans notre système CAO : Euclid-Is. Le calcul du comportement mécanique du couple (pièce, montage d'usinage) est aussi intégré dans ce même environnement.

La construction du module MIAP a nécessité une bonne compréhension des objets manipulés par Euclid-Is. En effet, il s'agit de retrouver ou d'identifier les paramètres intéressants dans la structure de données de ce logiciel pour créer l'ensemble des entités de prise de pièce potentielles. Les différentes routines disponibles pour effectuer cette création sont identifiées et implantées dans une application personnalisée.

Pour valider notre approche, nous avons testé le module sur un ensemble de pièces industrielles. A la fin de ce chapitre, nous montrons les résultats obtenus en appliquant le module sur une pièce particulière. Une session complète du fonctionnement du module est présentée en annexe sur un second exemple.

L'utilisation du module MIAP est représentée sur la figure 4.1. Le gammiste récupère ou crée les modèles géométriques de la pièce finie à l'aide du logiciel CAO Euclid-Is. Une interface lui permet de traduire le modèle surfacique de la pièce en entités d'usinage. Ces données sont ensuite envoyées dans le module MIAP. Le fonctionnement du module exige deux interventions du gammiste; la première concerne l'expertise, exprimée sous forme de paramètres géométriques, permettant de typer les appuis potentiels, la deuxième concerne la construction des posages (combinaison des appuis) entre le sous-module analyse de la géométrie et le sous-module calcul de l'effort de bridage et d'indices de stabilité. En sortie, le gammiste dispose d'une liste d'entités de prise de pièce compatibles avec chaque entité d'usinage.

4.1.1. Les sorties du module MIAP

128


En sortie du module MIAP, nous obtenons la liste des entités de prise de pièce

compatibles avec chaque entité d'usinage. Les attributs, effort de bridage, indices de stabilité et qualité de posage sont évalués pour chaque élément de la liste. Le gammiste peut visualiser la géométrie et l'ensemble des attributs du couple (entité d'usinage, prise de pièce) qu'il a sélectionné.

4.1.2. Les entrées du module MIAP

Les entrées du module MIAP sont les modèles géométriques représentant la pièce finie d'usinage, le modèle de la pièce par entités d'usinage, le modèle de la pièce brute et les données complémentaires.

129

130 Chapitre 4

Interface

Module MIAP : sélection des prises de pièce en usinage

sous-module : analyse de la géométrie

Logiciel CAO EUCLID-IS

Interface

Paramètres

Modèle géométrique de la pièce finie

sous-module : calcul de la qualité de

posage

sous-module : calcul de l'effort de bridage et des

indices de stabilité

sous-module : calcul des

configurations de machines-outils

Pour chaque entité d'usinage, liste des entités de prise de pièce potentielles, liste des

machines-outils possibles

Bibliothèque d'entités

d'usinage et de relations entre

entités

Modèle volumique

Modèle surfacique Modèle de la

pièce finie par entités d'usinage

Figure 4.1 : l'utilisation du module MIAP

130


Les modèles géométriques représentant la pièce finie d'usinage

Le module MIAP utilise le modèle géométrique représentant la pièce finie d'usinage qui est habituel dans un environnement CAO, auquel ont été ajoutées, sous forme de texte associé à la géométrie, des indications complémentaires comme les tolérances de position, les indications de forme et d'état de surface, la présence éventuelle de traitements thermiques ou de surface. La géométrie est numérisée sous la forme d'un modèle volumique CSG et sous la forme d'un modèle surfacique BREP. Ces deux modèles sont indispensables et complémentaires : le modèle volumique permet de détecter les risques de collision et le modèle surfacique permet d'identifier les surfaces participant aux prises de pièce.

Le modèle pièce par entités d'usinage

La description de la pièce par entités d'usinage n'est pas disponible sous le logiciel CAO : Euclid-Is. Nous avons donc développé une interface qui permet à l'opérateur de décrire, de manière interactive, la pièce à l'aide d'entités d'usinage. Les entités d'usinage sont déjà prédéfinies; elles sont disponibles dans une bibliothèque d'entités d'usinage. Le gammiste renseigne les différents attributs pour chaque entité d'usinage. Pour renseigner la géométrie, les primitives CAO du logiciel sont disponibles, le gammiste doit simplement cliquer les bons objets à l'écran. Nous avons implanté, dans la bibliothèque, les entités d'usinage simples (les entités de type face plane, trou, contour et poche) et les entités composées (les entités de type marche et trou étagé qui sont définies à partir des entités simples). Les relations entre entités sont, elles aussi, décrites à l'aide d'une bibliothèque prédéfinie.

La géométrie associée à l'entité d'usinage est identifiée parmi l'ensemble des carreaux du modèle surfacique de la pièce. Chaque carreau ne peut appartenir qu'à une seule entité. Les carreaux déjà attribués à une entité ne sont donc plus visibles à l'écran pendant la description de nouvelles entités d'usinage. Les attributs non géométriques sont rentrés par l'utilisateur à l'aide d'un questionnaire. La figure 4.2 nous montre la saisie d'une entité d'usinage de type trou.

131

132 Chapitre 4

Figure 4.2 : la saisie des attributs d'une entité d'usinage de type trou. Inconnu indique un champ non renseigné.

La gestion des entités d'usinage ou de prise de pièce n'est pas simple car le logiciel manipule essentiellement la géométrie. Il est cependant possible d'attacher à cette géométrie un ensemble d'attributs non géométriques. Les entités d'usinage sont sauvegardées dans la base de données d'Euclid. Les différents attributs numériques sont rangés dans un tableau qui est attaché à la géométrie. Ce lien entre le tableau et la géométrie est disponible dans la structure de données d'Euclid; ce lien permet de manipuler des objets ayant une sémantique géométrique et non géométrique mais ne permet pas de propager les modifications et les mises à jour des attributs. De plus, nous voulons gérer l'ensemble des entités de prise de pièce potentielles par entité d'usinage. La programmation étant en langage FORTRAN, la gestion des listes d'objets n'est pas possible. Nous sommes donc obligés d'adopter une gestion par tableau qui est beaucoup plus difficile à manipuler et qui est lourde à mettre en oeuvre.

Cette description de la pièce en entités d'usinage peut être sauvegardée dans un fichier texte. La structure de ce fichier lui permet d'être à la fois un fichier d'entrée pour une application EUCLID et un fichier d'entrée pour le générateur d'architecture de gamme PROPEL.

Le modèle de la pièce brute

132


Le module MIAP s'intéresse, pour l'instant, uniquement aux pièces dont les usinages

enlèvent peu de matière et restent localisés. La géométrie de la pièce brute est proche de la géométrie de la pièce finie d'usinage. Dans ce cas, la connaissance des modèles géométriques de la pièce finie et du modèle de la pièce par entités d'usinage suffit pour déterminer les prises de pièce potentielles. Le modèle géométrique de la pièce brute n'est donc pas indispensable. Les autres pièces exigeant un modèle de la pièce brute demande une étude approfondie pour estimer la pièce brute.

Les données complémentaires

Nous avons aussi besoin d'informations complémentaires qui ne sont pas géométriques. Il s'agit du matériau de la pièce, de la série de pièces à fabriquer et de la cadence de production. Elles sont renseignées sous forme de texte.

4.1.3. La structure du module MIAP

La structure du module MIAP (figure 4.1) s'articule autour de trois sous-modules. Le premier sous-module analyse la géométrie de la pièce pour sélectionner les appuis. Les appuis potentiels et la liste des prises de pièce partiellement évaluées sont les sorties de ce sous-module. Le deuxième sous-module s'intéresse à l'évaluation de l'effort de bridage et des indices de stabilité. Ce calcul nécessite l'évaluation du posage. Une interface permet à l'opérateur de construire les posages à partir des données issues du premier sous-module. Le troisième sous-module s'intéresse à l'évaluation de la qualité de posage.

4.2. Le rôle du gammiste

Le module MIAP est utilisé par un gammiste, spécialiste de la préparation de la fabrication, qui manipule couramment les données dans l'environnement CFAO. Le module s'intègre donc parfaitement dans un environnement habituel pour lui. Il ne nécessite aucune connaissance supplémentaire à son utilisation habituelle.

La description de la pièce à l'aide d'entités d'usinage est assurée par le gammiste. La reconnaissance automatique des entités d'usinage à partir d'une modélisation numérique de la pièce n'a pas donné les résultats escomptés [Gardan 90]. Seul le gammiste dispose de la connaissance et de l'expertise permettant de reconnaître les entités d'usinage.

Il a la possibilité de visualiser l'ensemble des combinaisons de posage et plus particulièrement les appuis prépondérants. Cette visualisation permet de s'assurer qu'il

133

134 Chapitre 4

existe une direction de posage prépondérante pour chaque entité d'usinage. S'il n'existe pas de solutions satisfaisantes, le gammiste a la possibilité de créer les directions manquantes par des usinages spécifiques. Pour cela, il définit des entités d'usinage supplémentaires qui ne sont créées que pour combler cette lacune. La création d’une nouvelle géométrie est possible. Elle résulte d'un échange entre le gammiste et le concepteur. En relançant notre application après la modification, le gammiste peut alors s'assurer de la validité de sa demande auprès du concepteur.

Les sous-modules de calcul de la qualité et de calcul des efforts sont accessibles par l'opérateur pour effectuer une mise à jour des paramètres pendant la conception de l'architecture de la gamme d'usinage. Il a la possibilité d'interroger les sous-modules pour connaître la qualité de posage et l'effort de bridage des entités de prise de pièce adaptées à l'usinage pendant la conception de l'architecture de la gamme.

4.3. Le fonctionnement du sous-module analyse géométrique

Le sous-module analyse géométrique est organisé en deux temps :

• dans un premier temps, les appuis potentiels sont sélectionnés. Cette sélection est effectuée à partir d'une reconnaissance des surfaces planes et cylindriques, de la pièce, et de la connaissance technologique apportée par les entités d'usinage. Le typage de ces appuis est réalisé grâce à un ensemble de paramètres rentrés par le gammiste.

• dans un deuxième temps, pour chaque entité d'usinage, la liste des appuis prépondérants est construite. Pour chaque élément de la liste, l'existence d'un bridage est vérifiée et les lieux possibles de bridage sont déterminés.

4.3.1. Sélection des appuis potentiels

L'algorithme de sélection des appuis est représenté sur la figure 4.3. Les modèles surfacique et volumique, le modèle entité d'usinage et l'expertise du gammiste traduite sous la forme de paramètres sont les entrées de l'algorithme. Les différentes étapes permettant de construire l'ensemble des appuis potentiels sont :

• l'éclatement du modèle surfacique en carreaux élémentaires. Une fonction disponible dans le logiciel CAO assure cette étape.

• la reconnaissance des surfaces d'appui,

• la reconnaissance des fonctions technologiques assurées par les surfaces d'appui,

134


• la construction des appuis faisant appel à plusieurs carreaux,

• le calcul des paramètres issus de la géométrie,

• le typage des appuis potentiels.

Modèle surfacique

Eclatement en carreaux élémentaires

Reconnaissance des surfaces planes et

cylindriques

Reconnaisance de leurs fonctions technologiques

Calcul des paramètres issus de la géométrie

- étendue d'appui - accessibilité

Construction de l'ensemble des appuis faisant appel à plusieurs carreaux : - de même normale ou du même axe; - de même altitude

Typage des appuisParamètres

Début

Modèle entité d'usinage

Modèle volumique

Fin Figure 4.3 : algorithme de sélection des appuis potentiels

Reconnaissance des surfaces d'appuis

135

136 Chapitre 4

Nous avons vu que les appuis peuvent être de type plan, de type pivot glissant, de

type linéaire rectiligne, de type linéaire annulaire et de type ponctuel. Tous ces appuis font principalement appel à des géométries planes et cylindriques. Les cônes ayant une faible conicité et pouvant assurer un appui ne sont pas retenus dans notre application pour l'instant.

Nous identifions les géométries planes et cylindriques pouvant assurer un appui à partir du modèle surfacique de la pièce. Le modèle surfacique est alors éclaté en carreaux élémentaires. Seuls les carreaux plans et les carreaux de révolution de type cylindrique sont retenus. Les carreaux plans sont des carreaux de Bezier dont les pôles du réseau caractéristique sont alignés. Les carreaux de révolution de type cylindrique sont déjà identifiés dans la base de données Euclid.

La modélisation d'un cylindre, sous Euclid, nécessite quatre carreaux. Les quatre carreaux constituant le cylindre sont reconnus puis associés afin de manipuler globalement la géométrie du cylindre.

Les carreaux, représentant des surfaces qui ne sont ni planes ni cylindriques, ne sont pas retenus comme candidats à la prise de pièce.

Reconnaissance de la fonction technologique des surfaces

La connaissance des entités d'usinage permet de restreindre l'ensemble des carreaux pouvant participer aux appuis potentiels. En effet, les fonds des trous, les chanfreins et les congés ne sont généralement pas retenus pour assurer un appui. De plus, une même entité d'usinage, de type face plane, peut être décrite par plusieurs carreaux. Ces carreaux doivent être regroupés pour obtenir la géométrie à manipuler. Cette dernière connaissance n'est pas encore implantée dans le sous-module.

Nous ne disposons pas de toutes les informations permettant d'identifier la géométrie pouvant servir d'appui parmi l'ensemble retenu. En effet, il n'est pas possible de savoir si le carreau appartient à une nervure, s'il est traversé par un plan de joint, ... car les modeleurs actuels ne permettent pas de gérer ce genre d'information. Une description de la pièce à l'aide d'entités de brut permet d'apporter cette connaissance technologique. Ce modèle de la pièce par entités de brut n'est pas implanté dans le module MIAP.

Construction des combinaisons

136


Les appuis faisant appel à plusieurs carreaux sont construits. Nous ne construisons

pas toutes les solutions possibles mais seulement :

• les appuis faisant appel à tous les carreaux plans ayant des normales parallèles,

• les appuis faisant appel à tous les carreaux cylindriques ayant des axes colinéaires,

• les appuis faisant appel à tous les carreaux plans coplanaires.

Les autres combinaisons sont incluses dans ces constructions. Elles ne sont pas explicitées.

Calcul des paramètres issus de la géométrie

Les paramètres issus de la géométrie de chaque appui retenu sont alors calculés. Il s'agit de l'étendue d'appui et de l'encombrement de celui-ci.

Repére principal d'EUCLID

Carreau plan

Normale n

boite

x

y

z

o

x

y

z

n

x

y

z

n

L

l

Figure 4.4 : calcul de l'étendue d'appui

L'étendue d'appui est calculée en recherchant la boîte enveloppe englobant la géométrie de l'appui. Cette boîte a des arêtes parallèles aux axes du repère principal d'Euclid qui est aussi le repère de la pièce. Nous obtenons alors les dimensions de l'appui dans le repère de la pièce. Les dimensions intrinsèques de l'appui sont calculées en amenant la normale du carreau plan sur l'axe Z du repère principal d'Euclid. Une

137

138 Chapitre 4

optimisation de la rotation du carreau autour de cet axe permet d'obtenir les dimensions intrinsèques de l'appui L et l (figure 4.4).

Parmi l'ensemble des appuis possibles, certains ne sont pas accessibles pour recevoir les éléments constituant le montage d'usinage. Pour nous assurer de la validité de la solution, nous effectuons le calcul d'accessibilité suivant la direction d'appui. Pour les appuis ayant une géométrie plane, nous construisons un prisme ayant pour base le carreau définissant l'appui et comme hauteur la plus grande dimension de la pièce. L'appui est accessible si l'intersection de la pièce avec le prisme est vide (figure 4.5); son coefficient an est égal à un. Pour le moment, l'implémentation ne retient que les appuis

visibles. Si l'appui n'est pas visible, il est éliminé des possibles. Ce critère est cependant trop restrictif car il est possible de réaliser des appuis d'orientation ou de butée sur des appuis non visibles. Un calcul similaire permet d'évaluer le coefficient d'accessibilité ap.

prisme ayant pour base la surface plane et pour hauteur la plus grande dimension de la pièce

surface plane encombrée suivant la normalen

Figure 4.5 : calcul de l'encombrement d'appui. Cet appui est encombré : an 1 et ap = 0

Typage des appuis

L'expertise du gammiste, rentrée par lui sous la forme de paramètres géométriques, permet de classer les appuis en appui prépondérant, appui d'orientation et butée. Le classement s'effectue en vérifiant que l'appui a des dimensions cohérentes pour :

• matérialiser le type d'appui. L'appui de type plan doit avoir un rapport entre les deux dimensions caractérisant l'étendue (L/l) suffisant. Si cette condition n'est pas respectée, l'appui peut être soit de type linéaire rectiligne, soit de type butée.

138


L'appui de type pivot doit avoir un rapport entre la longueur et le rayon (L/r) suffisant. Si le rapport est inférieur au critère, l'appui est de type linéaire annulaire.

• mettre en place les éléments du montage d'usinage. Les dimensions de l'appui doivent être suffisantes pour recevoir les touches matérialisant les appuis. La plus petite dimension de l'appui issu du carreau plan est comparée à la dimension des touches matérialisant l'appui. Le rayon de l'appui issu des carreaux cylindriques est comparé au rayon du plus petit centreur disponible. Si la géométrie de l'appui ne répond pas au critère ci-dessus, il est éliminé des possibles car il n'est pas possible de placer les éléments constituant le montage d'usinage.

• assurer la stabilité de la pièce par rapport à l'appui. L'appui est de type plan si le rapport entre l'aire de la pièce enveloppe et l'aire de l'appui est suffisant. L'appui est de type linéaire rectiligne si le rapport entre la plus grande dimension de la pièce et la longueur de l'appui est suffisant. Dans le cas contraire, l'appui est de type butée. L'appui est de type pivot glissant si le rapport entre la longueur de l'appui et la plus grande dimension de la pièce est suffisant. Dans le cas contraire, l'appui est de type linéaire annulaire.

4.3.2. Construction de la liste des prises de pièce pour chaque entité d'usinage

L'algorithme de construction de la liste des prises de pièce pour chaque entité d'usinage est présenté sur la figure 4.6. Seuls les attributs appui prépondérant, mode de bridage et lieux de bridage sont évalués.

139

140 Chapitre 4

Existence d'un bridage et calcul des

lieux de bridage correspondants Paramètres

Construction de la liste des appuis prépondérants

Pour chaque appui prépondérant

Pour chaque entité d'usinage Modèle volumique

Fin

Ensemble des appuis potentiels


Début

Figure 4.6 : algorithme de création des couples (entités d'usinage, liste des prises de pièce partiellement évaluées)

Sélection de la liste des appuis prépondérants compatibles avec chaque entité d'usinage

Tout appui de type plan autorisant la mise en position de la pièce en laissant l'accès aux outils de coupe pour usiner l'entité d'usinage est retenu dans la liste. Dans notre implantation, nous interdisons seulement le passage des outils à travers l'appui prépondérant. La direction d'usinage se situe donc dans le demi-espace supérieur à l'appui prépondérant. Les appuis de type pivot glissant ne sont pas retenus actuellement.

Existence d'un bridage et lieux de bridage

Pour assurer une prise de pièce, chaque élément de la liste des appuis prépondérants pour chaque entité d'usinage doit pouvoir accepter un mode de bridage. Les modes que nous avons retenus sont le mode bride, le mode étau et le mode bride plus étau. Nous

140


présentons ici le bridage de mode bride. Un calcul analogue permet d'identifier le mode étau et le mode bride plus étau.

Le bridage de mode bride exerce un effort opposé à l'appui prépondérant. Le dispositif de bridage est alors placé en face de l'appui prépondérant. Il s'agit maintenant de déterminer s'il existe un espace pour placer le dispositif de bridage. Pour cela, nous créons, dans l'environnement CAO en travaillant sur le modèle volumique de la pièce, un prisme, appelé prisme de bridage, que nous déplaçons suivant la direction de bridage. L'intersection de la pièce avec ce prisme nous donne la zone où il est possible de placer le dispositif de bridage (figure 4.7). Nous identifions alors les carreaux plans qui correspondent à cette zone de bridage.

Le prisme de bridage est construit à partir du volume représentant l'espace d'usinage. Cet espace est estimé par un cube ayant comme dimension le double de la plus grande dimension de la pièce. Son centre de gravité est confondu avec le centre de gravité de la pièce. Pour obtenir le prisme de bridage, nous coupons l'espace de travail par la pièce et le volume représentant l'enveloppe de l'outil de coupe susceptible de réaliser l'entité d'usinage; il s'agit d'un prisme extrudé suivant la direction d'usinage ayant pour base le contour projeté de l'entité dans un plan perpendiculaire à la direction d'usinage (figure 4.7).

appui prépondérant prisme de bridage

direction de bridage

zone de bridage

entité d'usinage

Figure 4.7 : identification de la zone de bridage

Nous déterminons maintenant les lieux appartenant à la zone de bridage où il est possible de placer une bride en évitant les collisions de celle-ci avec la pièce et les outils de coupe. Le volume de la bride est estimé à partir des données constructeur. Nous construisons une bride schématique et paramétrée. La figure 4.8 montre les différents paramètres de cette bride. Les paramètres H et HC sont égaux à la plus grande dimension de la pièce pour s'assurer de l'accessibilité de celle-ci sur la plaque de base et

141

142 Chapitre 4

de la possibilité de la serrer. La position du tirant est volontairement au centre de la bride pour identifier des lieux de bridage vers le milieu de la pièce. Les autres paramètres L, D, l, DT et lp sont fonctions des dimensions de la pièce. En effet, la valeur des dimensions de la pièce permet de retenir une classe de matériels parmi celles disponibles dans les catalogues constructeur. Ces paramètres sont pris par défaut. Ils peuvent être modifiés par l'utilisateur.

l

L

HC

Hlp

D

DT

Figure 4.8 : La bride paramètrée.

L'ensemble des lieux de bridage est déterminé en promenant cette bride le long du contour de l'espace de bridage. Le lieu de bridage est retenu si la bride ne rentre en collision, ni avec la pièce, ni avec l'espace réservé à l'usinage. Pour s'assurer du lien avec la plaque de base, la bride comporte un tirant et un pied de bride. Par ce calcul, nous ne trouvons pas les lieux de bridage qui seront utilisés pour maintenir la pièce mais un ensemble de lieux potentiels, représentés par les petits cônes, sur tout le contour des carreaux plans de la zone de bridage (figure 4.9). Il est alors possible d'estimer la résultante de bridage en calculant le barycentre de l'ensemble des lieux identifiés. Ce calcul est valable même si on n'utilise finalement pas tous les lieux de bridage. Dans la pratique, si une seule bride est utilisée, elle est placée sur le barycentre. Si on utilise plusieurs brides, elles sont alors réparties de manière symétrique sur la pièce. L'action de bridage passe alors par le barycentre.

142


bride

appui prépondérant (décalé)

lieux possibles de bridage

volume occupé par l'outil

Figure 4.9 : les lieux de bridage potentiels. Les carreaux représentant l'appui prépondérant ont été déplacés manuellement suivant la direction d'appui pour améliorer la lisibilité de la figure.

La sortie du sous-module analyse de la géométrie est constituée, d'une part, de la liste des appuis potentiels et, d'autre part, de la liste des prises de pièce en partie évaluées pour chaque entité d'usinage (figure 4.10).

Entité d'usinage 1 ... Entité d'usinage 2 liste des prises de pièce = (PdP1, PdP2, ...)

prise de pièce 1 ... posage = posage 1 mode de bridage = bride lieux de bridage = figure de cônes 1

posage 1 ... appui prépondérant = face 1

Figure 4.10 : les couples (entité d'usinage, liste des prises de pièce dont les attributs sont partiellement évalués)

4.4. Le sous-module de calcul de l'effort de bridage et des indices de stabilité

Le sous-module de calcul de l'effort de bridage et des indices de stabilité permet d'évaluer l'effort de bridage et les indices de stabilité pour chaque élément de la liste des prises de pièce par entité d'usinage. L'algorithme (figure 4.11) présente le fonctionnement du sous-module. Comme les attributs du posage ne sont pas complètement évalués, nous avons mis en place une interface qui permet au gammiste de compléter l'appui prépondérant pour obtenir un posage.

143

144 Chapitre 4

Interface

Couples : (entité d'usinage, liste des prises de pièce partiellement

évaluées)

Appuis potentiels typés

Couples : (entités d'usinage, liste des prises de pièce avec

posage complet)

Calcul du torseur de coupe

Calcul de l'effort de bridage et des indices

de stabilitépour chaque

posage candidat

Début


pour chaque entité

d'usinage

Fin

sortie du sous-module analyse de la géométrie

sortie du sous-module analyse de la géométrie

Figure 4.11 : algorithme de calcul de l'effort de bridage et des indices de stabilité

Le calcul du torseur effort de coupe, détaillé dans le chapitre 2.5.1, est réalisé à partir des attributs de l'entité d'usinage et du matériau de la pièce. La trajectoire d'usinage qui permet d'estimer la direction de l'effort de coupe est prise par défaut. L'opérateur a la possibilité de la modifier si nécessaire. L'expertise évitant cette intervention reste à mettre en oeuvre.

L'équilibre de la pièce pendant l'usinage permet de déterminer l'effort de bridage minimal (deux efforts : un effort pour le mode bride et un effort pour le mode étau si le

144


mode bride plus étau est retenu) garantissant l'équilibre de la pièce, en s'assurant que celle-ci ne glisse pas sur ses appuis et ne bascule pas autour des appuis. Les indices de stabilité, traduisant les risques de glissement et de basculement permettent de quantifier les performances du couple (entité de prise de pièce, entité d'usinage) (figure 4.12). Les calculs sont décrits dans le chapitre 2.5.


prise de pièce 1 ... posage = posage 1 mode de bridage = bride lieux de bridage = figure de cônes 1 effort de bridage = 1500 N. indices de stabilité = (0.5, 0.2, 0, 0, 0, 0.3)


Figure 4.12 : les couples (entité d'usinage, liste des prises de pièce) à la sortie du sous-module calcul de l'effort de bridage et des indices de stabilité.

Nous avons développé un module spécifique de calcul Fb et des indices de stabilité capable d'aider le gammiste dans son raisonnement (figure 4.13). Il fonctionne de manière analogue au sous-module intégré dans le module MIAP et il permet de calculer l'effort de bridage et les indices de stabilité pendant la conception de l'architecture de la gamme d'usinage sur appel et renseignement par le gammiste. L'effort de bridage garantit l'équilibre de la pièce pendant les opérations d'usinage proposées par le gammiste. Pour cela, un effort de bridage Fb par opération d'usinage est calculé. L'effort de bridage retenu est le maximum des efforts Fb. Les indices de stabilité sont associés à chaque opération d'usinage. Ils traduisent le risque de basculement et de glissement pendant le déroulement de l'usinage.

145

146 Chapitre 4

Calcul du torseur de coupe

Interface

Couples : (entité d'usinage, liste des prises de pièce)

liste des opérations d'usinage réalisées avec la prise de pièce

sélectionnée Début


pour chaque opération d'usinage

Fin

Calcul de l'effort de bridage Fb

Effort de bridage retenu : max(Fb)

Calcul des indices de stabilité

pour chaque opération d'usinage

Figure 4.13 : le module d'aide au gammiste de calcul de l'effort de bridage et des indices de stabilité d'une prise de pièce.

146


4.5. Le sous-module : calcul de la qualité de posage

Le sous-module de calcul de la qualité de posage permet d'évaluer la qualité minimale de posage de chaque élément de la liste des prises de pièce de chaque entité d'usinage. La figure 4.14 montre le fonctionnement du sous-module.


pour chaque entité

d'usinage

Calcul du facteur de tolérance et du torseur de petit déplacement

Calcul de la qualité de posage admissible

pour chaque posage

Couples : (entité d'usinage, liste des prises de pièce avec posage

complet)Début

Fin Figure 4.14 : algorithme de calcul de la qualité de posage

Pour chaque entité d'usinage, le facteur de tolérance est calculé à partir des relations pointant sur cette entité. Le torseur de petit déplacement est alors calculé à partir du facteur de tolérance et de la géométrie de l'entité d'usinage. Le torseur de petit déplacement traduit le mouvement possible de la pièce considérée comme un solide indéformable. Ce mouvement est ensuite ramené au niveau de chaque posage de la liste des prises de pièce compatibles avec l'entité d'usinage (figure 4.15). La répartition de ce mouvement en qualité des différents appuis est calculée en fixant un seuil de tolérance qui ne pose plus de problème. Ceci permet une répartition qui n'est pas optimisée mais qui donne des résultats tout à fait acceptables.

147

148 Chapitre 4


prise de pièce 1 ... posage = posage 1 mode de bridage = bride lieux de bridage = figure de cônes 1 effort de bridage = 1500 N. indices de stabilité = (0.5, 0.2, 0, 0, 0, 0.3) qualité de posage = (0.1, 0.08, 0.2)


Figure 4.15 : les couples (entité d'usinage, liste des prises de pièce) à la sortie du sous-module et du module MIAP

Nous avons développé un module spécifique de calcul de la qualité de posage capable d'aider le gammiste dans son raisonnement (figure 4.16). Il fonctionne de manière analogue au sous-module intégré dans le module MIAP et il permet de calculer la qualité de posage pendant la conception de l'architecture de la gamme d'usinage sur appel et renseignement par le gammiste. Les opérations d'usinage réalisées dans la sous-phase avec la prise de pièce sélectionnée, sont proposées par le gammiste. Le module évalue le facteur de tolérance de chaque entité d'usinage réalisée dans la sous-phase et calcule le torseur de petit déplacement de la pièce dans le repère de posage. Seules les relations liant une entité de la sous-phase à une autre entité sont retenues dans le calcul du facteur de tolérance. Les composantes du torseur retenu sont évaluées à partir des composantes des torseurs précédemment calculés. Ce torseur est ensuite traduit en qualité de posage exprimée au niveau de chaque appui.

148


Interface

Couples : (entité d'usinage, liste des prises de pièce)

liste des opérations d'usinage réalisées avec la prise de pièce

sélectionnée


Calcul du facteur de tolérance et du torseur de petit déplacement

Calcul de la qualité de posage admissible

Début

Fin

pour chaque entité

d'usinage de la sous-phase

Calcul des composantes du torseur retenu : le

min(composantes des torseurs)

Figure 4.16 : le module d'aide au gammiste de calcul de la qualité d'une prise de pièce

4.6. Les limites du module

Notre module ne permet de traiter que les pièces indéformables. En effet, les déformations engendrées lors de l'usinage ne sont pas modélisées. De plus, nous nous sommes intéressés aux pièces dont la géométrie du brut est proche de la géométrie de la pièce finie d'usinage. L'estimation des états intermédiaires dans le cas général n'est pas prise en considération dans notre implémentation.

149

150 Chapitre 4

Le module MIAP retient une géométrie de prise de pièce sur des surfaces planes ou

cylindriques. Les appuis sur des cônes de faible conicité ne sont pas retenus actuellement. De plus, les brides sont systématiquement placées sur des surfaces planes. Le placement de brides sur des surfaces quelconques n'est pas analysé dans le module MIAP.

Puisque nous n'avons pas la géométrie de la pièce brute, toute la connaissance technologique que l'on pourrait associer à cette géométrie n'est pas exploitée actuellement. Une description de la pièce brute à l'aide d'entités devrait éliminer, voire regrouper, des carreaux au cours de la construction des appuis. Cette connaissance permet de retenir seulement les appuis potentiels. Les travaux menés au sein du laboratoire sur l’interaction entre les métiers usinage, conception et obtention du brut devraient apporter dans les années futures des réponses à ce problème.

Les trois sous-modules ayant, dans un premier temps, des finalités différentes, le transfert des données entre ceux-ci n'est pas assuré actuellement. Un enchaînement automatique entre les sous-modules devrait intervenir rapidement.

Le couplage avec le générateur automatique de gammes n'est pas assuré actuellement. Notre module permet d'assister le gammiste pendant la conception de la gamme. L'écriture des règles expertes issues de la formalisation de la connaissance sur les prises de pièce dans PROPEL permettra de coupler l'étude des prises de pièce à la génération automatique de la gamme d'usinage.

4.7. Exemple : le support intermédiaire

4.7.1. Présentation de la pièce

Le support intermédiaire est une pièce destinée à l'industrie automobile. Elle est en alliage d'aluminium. La pièce brute est obtenue par moulage sous pression. La figure 4.17 montre la modélisation volumique de la pièce.

L'usinage de la pièce est localisé aux quatre surfaces planes : plan_1 à plan_4, et, aux deux trous taraudés : trou_M8 et trou_M10. Le fichier texte (figure 4.18) représente la description de la pièce par entités d'usinage tel qu'il sort de notre interface d'aide au gammiste. L'usinage nécessite deux directions d'usinage Z et Y. Il est cependant possible d'usiner les entités : plan_3 et plan_4 en roulant. Dans ce cas, la pièce peut être usinée complètement en retenant seulement la direction d'usinage Z. Les deux trous oblongs ont une qualité qui est compatible avec la technique d'obtention de la pièce brute. Ils ne sont donc pas usinés. Les relations entre entités d'usinage positionnent les

150


différentes entités entre elles. De plus, des relations entre entités d'usinage et la géométrie restant à l'état brut permet de définir la position des entités d'usinage dans le référentiel de la pièce. La géométrie restant à l'état brut s'appelle brut dans le fichier car notre implantation ne permet pas actuellement de définir des entités de brut.

Les sur-épaisseurs d'usinage sont faibles : environ 0,5 mm. La géométrie de la pièce brute est très proche de la géométrie de la pièce finie d'usinage. L'analyse de la géométrie de la pièce finie permet d'obtenir l'ensemble des prises de pièce potentielles.

TROU_M8TROU_M10 PLAN_1 PLAN_2PLAN_3

PLAN_4

Figure 4.17 : le modèle volumique et l'identification des entités d'usinage

*************************************************** (Part SUP_IN (Rugosite 3.2) (Qualite 13) (Tolerance +0.50 -0.50) (Materiau AS9U3) (Serie 50) (s-x 125.32) (s-y 27.00) (s-z 44.25)) *************************************************** (Entite TROU_M8 (Type ALESAGE-TARAUDE) (Normale Z+) (Diametre 8.00) (Qualite 13) (Profondeur 25.54) (Ra 3.2) (Debouche-sur PLAN_2) (Brut PLEIN) (s-x 08.00) (s-y 08.00) (s-z 25.54)) ******************************************* (Entite TROU_M10 (Type ALESAGE-TARAUDE) (Normale Z+) (Diametre 10.00) (Qualite 13) (Profondeur 33.00) (Ra 3.2) (Debouche-sur PLAN_1) (Brut PLEIN) (s-x 10.00) (s-y 10.00) (s-z 33.00)) ******************************************* (Entite PLAN_1 (Type FACE-PLANE) (Normale Z+) (Ra 1.6) (Surepaisseur 0.50) (s-x 29.70) (s-y 25.00) (s-z 0.00)) ******************************************* (Entite PLAN_2 (Type FACE-PLANE) (Normale Z+) (Ra 1.6) (Surepaisseur 0.50) (s-x 23.62) (s-y 20.00) (s-z 0.00)) ******************************************* (Entite PLAN_3 (Type FACE-PLANE) (Normale Y+) (Ra 1.6) (Surepaisseur 0.50) (s-x 45.00) (s-y 0.00) (s-z 40.50)) ******************************************* (Entite PLAN_4 (Type FACE-PLANE) (Normale Y+) (Ra 1.6) (Surepaisseur 0.50) (s-x 37.00) (s-y 0.00) (s-z 28.42)) ***RELATION ENTRE ENTITES D USINAGE *************** (PERPENDIC 0.03 PLAN_1 PLAN_3) (PERPENDIC 0.03 PLAN_2 PLAN_4) (TOL 0.40 TROU_M10 TROU_M8) (TOL 0.40 TROU_M10 PLAN_3) (TOL 0.40 TROU_M8 PLAN_4) (TOL 0.40 TROU_M10 BRUT) (TOL 0.40 TROU_M8 BRUT)

151

152 Chapitre 4

Figure 4.18 : le fichier texte de description des entités d'usinage du support intermédiaire.

4.7.2. Les résultats

Du sous-module analyse de la géométrie

L'analyse géométrique du modèle surfacique permet d'identifier les directions de posage. Parmi les carreaux plans (75 au total), le système retient ceux qui ont une taille suffisante et qui ne sont pas encombrés (soit 26 carreaux). Nous obtenons 16 directions de posage (figure 4.19) parmi lesquelles nous identifions les directions Z+, X+,X-, Y+, Y-. Les autres directions sont essentiellement dues à la modélisation des nervures. En effet, les nervures sont construites à partir de volumes évolutifs qui sont modélisés sous EUCLID par un ensemble de facettes planes. Ces solutions ne devraient pas être retenues, mais nous ne disposons pas actuellement des informations nécessaires pour les éliminer de manière automatique.

RANG : 1 NUMERO : 10 ETENDUE : 4719.57 RANG : 2 NUMERO : 1 ETENDUE : 3546.92 RANG : 3 NUMERO : 2 ETENDUE : 2692.39 RANG : 4 NUMERO : 7 ETENDUE : 2259.26 RANG : 5 NUMERO : 5 ETENDUE : 1427.71 RANG : 6 NUMERO : 4 ETENDUE : 1379.03 RANG : 7 NUMERO : 3 ETENDUE : 1229.95 RANG : 8 NUMERO : 6 ETENDUE : 1010.22 RANG : 9 NUMERO : 12 ETENDUE : 984.72 RANG : 10 NUMERO : 13 ETENDUE : 910.27 RANG : 11 NUMERO : 11 ETENDUE : 871.81 RANG : 12 NUMERO : 15 ETENDUE : 503.96 RANG : 13 NUMERO : 8 ETENDUE : 411.70 RANG : 14 NUMERO : 16 ETENDUE : 377.18 RANG : 15 NUMERO : 9 ETENDUE : 350.45 RANG : 16 NUMERO : 14 ETENDUE : 158.53 ****************************************************** CREATION DE L ENSEMBLE DES POSAGES SUR UN ARBRE ARBRE NUMERO : 1 RAYON : 10.00 LONG. : 27.00 ARBRE NUMERO : 2 RAYON : 10.00 LONG. : 27.00 ARBRE NUMERO : 3 RAYON : 10.00 LONG. : 16.00 CREATION DE L ENSEMBLE DES POSAGES SUR UN ALESAGE ALESAGE NUMERO : 1 RAYON : 5.00 LONG. : 33.00 ALESAGE NUMERO : 2 RAYON : 4.00 LONG. : 25.54 ALESAGE NUMERO : 3 RAYON : 5.00 LONG. : 27.00 ALESAGE NUMERO : 4 RAYON : 5.00 LONG. : 27.00 ALESAGE NUMERO : 5 RAYON : 5.00 LONG. : 16.00 ALESAGE NUMERO : 6 RAYON : 5.00 LONG. : 16.00

Figure 4.19 : l'ensemble des appuis potentiels regroupés par direction d'appui

Comme la pièce possède des trous oblongs, il n'est pas possible de lier de manière automatique les deux parties cylindriques de ces trous. Nous obtenons donc trois posages sur des arbres et six posages sur des alésages : le trou M8, le trou M10 et deux

152


pour chaque trou oblong (figure 4.17). Les trois appuis sur des arbres correspondent à la géométrie extérieure des bossages des deux trous oblongs.

L'application de critères géométriques permet de retenir deux directions de posage prépondérant sur des carreaux plans. Ces deux directions sont opposées (figure 4.20 et 4.21). Il n'existe pas de posage prépondérant sur des carreaux cylindriques. Les critères que nous avons rentrés sont :

• l'appui prépondérant de type plan doit avoir une étendue supérieure à la moitié de la plus grande face de la boîte enveloppant la pièce,

• le rapport longueur sur diamètre pour l'appui prépondérant de type pivot glissant doit être supérieur à 0,8 et la longueur de celui-ci doit être supérieure au tiers de la plus grande dimension de la boîte enveloppant la pièce.

Figure 4.20 : la direction d'appui prépondérant suivant Y+

La direction d'appui prépondérant fait appel à trois carreaux. Avec le critère retenu, seul un appui faisant appel à plusieurs carreaux est prépondérant.

153

154 Chapitre 4

Figure 4.21 : la direction d'appui prépondérant suivant Y-

De même, la direction d'appui prépondérant fait appel à six carreaux. Avec le critère retenu, seul un appui faisant appel à plusieurs carreaux est prépondérant.

Le lien entre les entités d'usinage et les deux directions des appuis prépondérants montre que seule une direction permet d'accéder à tous les usinages. Il existe donc un appui prépondérant permettant d'usiner l'ensemble de la pièce en une seule sous-phase (figure 4.22). La cohérence entre les entités d'usinage et les appuis nous montre que l'appui prépondérant 1 est réalisé en partie sur la géométrie des entités d'usinage plan_3 et plan_4.

PIECE EN APPUI PREPONDERANT SUR : L APPUI 1 QUI EST REALISE EN PARTIE SUR LES ENTITES : PLAN_3, PLAN_4 (direction Y+) L ENTITE D USINAGE : TROU_M8 EST ACCESSIBLE L ENTITE D USINAGE : TROU_M10 EST ACCESSIBLE L ENTITE D USINAGE : PLAN_1 EST ACCESSIBLE L ENTITE D USINAGE : PLAN_2 EST ACCESSIBLE L ENTITE D USINAGE : PLAN_3 N EST PAS ACCESSIBLE L ENTITE D USINAGE : PLAN_4 N EST PAS ACCESSIBLE PIECE EN APPUI PREPONDERANT SUR : L APPUI 2 QUI EST REALISE SUR LE BRUT (direction Y-) L'ENTITE D USINAGE : TROU_M8 EST ACCESSIBLE L'ENTITE D USINAGE : TROU_M10 EST ACCESSIBLE L'ENTITE D USINAGE : PLAN_1 EST ACCESSIBLE L'ENTITE D USINAGE : PLAN_2 EST ACCESSIBLE L'ENTITE D USINAGE : PLAN_3 EST ACCESSIBLE L'ENTITE D USINAGE : PLAN_4 EST ACCESSIBLE

Figure 4.22 : les entités d'usinage accessibles par direction d'appui prépondérant

154


L'étude du bridage nous montre qu'il existe une solution de bridage, de mode bride,

pour tous les couples (entités d'usinage, posage prépondérant) (figure 4.23). Parmi cet ensemble de solutions potentielles, nous retrouvons celle qui est adoptée par l'industriel qui fabrique les supports intermédiaires.

*************************************************** POUR USINER L ENTITE D USINAGE : TROU_M8 EN ETANT EN APPUI PREPONDERANT SUR LE PLAN : 1 IL EXISTE UNE ZONE DE BRIDAGE ET UN EMPLACEMENT POUR LES BRIDES EN ETANT EN APPUI PREPONDERANT SUR LE PLAN : 2 IL EXISTE UNE ZONE DE BRIDAGE ET UN EMPLACEMENT POUR LES BRIDES *************************************************** POUR USINER L ENTITE D USINAGE : TROU_M10 EN ETANT EN APPUI PREPONDERANT SUR LE PLAN : 1 IL EXISTE UNE ZONE DE BRIDAGE ET UN EMPLACEMENT POUR LES BRIDES EN ETANT EN APPUI PREPONDERANT SUR LE PLAN : 2 IL EXISTE UNE ZONE DE BRIDAGE ET UN EMPLACEMENT POUR LES BRIDES *************************************************** POUR USINER L ENTITE D USINAGE : PLAN_1 EN ETANT EN APPUI PREPONDERANT SUR LE PLAN : 1 IL EXISTE UNE ZONE DE BRIDAGE ET UN EMPLACEMENT POUR LES BRIDES EN ETANT EN APPUI PREPONDERANT SUR LE PLAN : 2 IL EXISTE UNE ZONE DE BRIDAGE ET UN EMPLACEMENT POUR LES BRIDES *************************************************** POUR USINER L ENTITE D USINAGE : PLAN_2 EN ETANT EN APPUI PREPONDERANT SUR LE PLAN : 1 IL EXISTE UNE ZONE DE BRIDAGE ET UN EMPLACEMENT POUR LES BRIDES EN ETANT EN APPUI PREPONDERANT SUR LE PLAN : 2 IL EXISTE UNE ZONE DE BRIDAGE ET UN EMPLACEMENT POUR LES BRIDES *************************************************** POUR USINER L ENTITE D USINAGE : PLAN_3 EN ETANT EN APPUI PREPONDERANT SUR LE PLAN : 2 IL EXISTE UNE ZONE DE BRIDAGE ET UN EMPLACEMENT POUR LES BRIDES *************************************************** POUR USINER L ENTITE D USINAGE : PLAN_4 EN ETANT EN APPUI PREPONDERANT SUR LE PLAN : 2 IL EXISTE UNE ZONE DE BRIDAGE ET UN EMPLACEMENT POUR LES BRIDES ***************************************************

Figure 4.23 : l'existence de bridage de type bride pour chaque couple (entité d'usinage, appui prépondérant)

Du sous-module calcul d'effort de bridage (aide au gammiste)

Nous avons vu que l'ensemble des entités d'usinage était accessible en assurant une mise en position de la pièce sur l'appui prépondérant de direction 2. Nous retenons

155

156 Chapitre 4

donc la combinaison d'appui 3-2-1r; appui prépondérant et appuis complémentaires réalisés dans les deux trous oblongs à laquelle nous associons un repère de posage (figure 4.24).

X

Y

ZFc1Fc2

Fc3 Fc4

Fc6, Mc6

Fc5, Mc51 23

6 5 4

Figure 4.24 : le repère de posage et les torseurs de coupe des différentes entités d'usinage

Les torseurs de coupe Fci, Mci sont associés à chaque entité d'usinage i. Ils sont

représentés sur la figure 4.24. Nous retenons un bridage de mode bride.

-------------------------------------------------------- nombre d entite d usinage 6 ------entite d usinage 1 ---------------------------- vecteur effort de coupe Fc -60.00 0.00 0.00 moment lie a la coupe Mc 0.00 0.00 0.00 point d application de l effort de coupe -50.00 0.00 30.00 ------entite d usinage 2 ---------------------------- vecteur effort de coupe Fc -60.00 0.00 0.00 moment lie a la coupe Mc 0.00 0.00 0.00 point d application de l effort de coupe 45.00 4.00 30.00 ------entite d usinage 3 ---------------------------- vecteur effort de coupe Fc -20.00 30.00 0.00 moment lie a la coupe Mc 0.00 0.00 0.00 point d application de l effort de coupe -50.00 -20.00 15.00 ------entite d usinage 4 ---------------------------- vecteur effort de coupe Fc -20.00 30.00 0.00 moment lie a la coupe Mc 0.00 0.00 0.00 point d application de l effort de coupe 50.00 -20.00 15.00 ------entite d usinage 5 ---------------------------- vecteur effort de coupe Fc 0.00 100.00 0.00 moment lie a la coupe Mc 0.00 200.00 0.00 point d application de l effort de coupe 48.00 -20.00 17.00 ------entite d usinage 6 ---------------------------- vecteur effort de coupe Fc 0.00 150.00 0.00 moment lie a la coupe Mc 0.00 200.00 0.00 point d application de l effort de coupe -48.00 -20.00 15.00 -------------------------------------------------------- vecteur effort de serrage1 0.00 0.00 1.00

156


point d application de l effort de serrage1 2.00 -5.00 12.00 vecteur effort de serrage2 0.00 0.00 0.00 point d application de l effort de serrage2 0.00 0.00 0.00 -------------------------------------------------------- dimensions du posage L 110.00 l 32.00 E 90.00

Figure 4.25 : les données du sous module de calcul de l'effort de bridage

Le module de calcul de l'effort de bridage nous donne les résultats représentés sur la figure 4.26. L'effort de bridage retenu permet de calculer les indices de stabilité pour les six entités d'usinage. Nous présentons ici seulement les indices traduisant les risques de basculement de la pièce. Nous pouvons calculer aussi les indices traduisant les risques de glissement.

Les indices de basculement autour de l'axe x sont les plus défavorables (nombre d'étoiles élevé). En effet, les efforts de coupe des différents usinages cherchent à faire basculer la pièce sur ses appuis autour de l'axe X. Les autres indices sont excellents sauf le risque de basculement autour de l'axe Z pendant les opérations de perçage des trous (entités d'usinage 5 et 6). Aucun indice ne remet en cause la prise de pièce sélectionnée. Cette solution est donc tout à fait acceptable du point de vue de la stabilité.

157

158 Chapitre 4

******************* resultats ******************** serrage oppose a l'appui preponderant serrage mini pour equilibre : -1500.000 nombre de brides : 1 serrage par bride : 4365.010 serrage retenu : -4365.010 ------ indice de stabilite ------ ---- indice de basculement /x ---- bon moyen faible |-------------------|-------------------| usinage 1 ************ usinage 2 ************ usinage 3 ************ usinage 4 ************ usinage 5 *********** usinage 6 *********** ---- indice de basculement /y ---- bon moyen faible |-------------------|-------------------| usinage 1 * usinage 2 * usinage 3 * usinage 4 * usinage 5 * usinage 6 * ---- indice de basculement /z ---- bon moyen faible |-------------------|-------------------| usinage 1 * usinage 2 * usinage 3 *** usinage 4 * usinage 5 ******* usinage 6 ***********

Figure 4.26 : les résultats du sous-module calcul de l'effort de bridage.

Du sous-module qualité (aide au gammiste)

Nous déterminons maintenant la qualité de posage correspondant à l'usinage des six entités. Les données relatives à chaque entité d'usinage dans le repère de posage et les relations entre ces entités sont représentées sur la figure 4.27. Nous sommes obligés de décrire une entité supplémentaire, appelée entité 0, qui représente la géométrie de la pièce qui n'est pas usinée. En effet, seules les relations liant cette entité aux autres seront prises en considération pour le calcul car tous les usinages sont regroupés dans une même sous-phase. Ces relations sont représentées sous la forme d'un tableau à deux entrées. La valeur d'une tolérance entre deux entités apparaît dans la case située à l'intersection de la ligne et à la colonne correspondant aux deux entités.

nombre d entite d usinage : 7 le type de l entite 1 est : plan les coord normale entite : 0.00 0.00 1.00

158


le centre de l entite est : -50.00 0.00 30.00 les dimensions de l entite : 25.00 28.00 0.00 --------------------------------------------------- le type de l entite 2 est : plan les coord normale entite : 0.00 0.00 1.00 le centre de l entite est : 45.00 4.00 30.00 les dimensions de l entite : 18.00 16.00 0.00 --------------------------------------------------- le type de l entite 3 est : plan les coord normale entite : 0.00 1.00 0.00 le centre de l entite est : -50.00 -20.00 15.00 les dimensions de l entite : 25.00 0.00 22.00 --------------------------------------------------- le type de l entite 4 est : plan les coord normale entite : 0.00 1.00 0.00 le centre de l entite est : 50.00 -20.00 15.00 les dimensions de l entite : 18.00 0.00 17.00 --------------------------------------------------- le type de l entite 5 est : cylindre les coord normale entite : 0.00 1.00 0.00 le centre de l entite est : 48.00 -20.00 17.00 les dimensions de l entite : 8.00 8.00 16.00 --------------------------------------------------- le type de l entite 6 est : cylindre les coord normale entite : 0.00 1.00 0.00 le centre de l entite est : -48.00 -20.00 15.00 les dimensions de l entite : 10.00 10.00 32.00 --------------------------------------------------- le type de l entite 0 est : brut --------------------------------------------------- les dimensions de posage : 110.00 32.00 90.00 ---------------------------------------------------

| entite 1 | entite 2 | entite 3 | entite 4 | entite 5 | entite 6 | entite 0 entite 1 |***** |***** | 0.03 |***** |***** |***** | 0.40 | entite 2 |***** |***** |***** | 0.03 |***** |***** | 0.40 | entite 3 | 0.03 |***** |***** |***** |***** |***** | 0.40 | entite 4 |***** | 0.03 |***** |***** |***** |***** | 0.40 | entite 5 |***** |***** |***** |***** |***** |***** | 0.40 | entite 6 |***** |***** |***** |***** |***** |***** | 0.40 | entite 0 | 0.40 | 0.40 | 0.40 | 0.40 | 0.40 | 0.40 |***** |

--------------------------------------------------- entites usinees dans la sous phase : 1 2 3 4 5 6 posage type 3 2 1 sur : 0 0 0

Figure 4.27 : les données pour le calcul de la qualité.

Le module détermine alors la qualité de chaque appui permettant de respecter les relations liées à chaque entité. Le résultat final est la qualité la plus contraignante pour chaque appui. De plus, l'entité d'usinage contraignant un des mouvements possibles de la pièce dans le référentiel de posage est identifiée. L'utilisateur dispose alors des informations pertinentes pour concevoir l'architecture de la gamme. La figure 4.28 nous montre le torseur de petit déplacement possible de la pièce dans le référentiel de posage. Les rotations alpha, beta, gamma autour des axes X, Y, Z sont respectivement contraintes par l'entité 1, l'entité 1 et l'entité 3. De même, les déplacements u, v, w suivant les axes X, Y, Z sont respectivement contraints par l'entité 5, l'entité 3 et l'entité 1. Ce torseur est compatible avec une qualité d'appui prépondérant de 0,188, une qualité d'appui d'orientation de 0,2 et une qualité de butée de 0,126.

159

160 Chapitre 4

--------------------------------------------------- angles piece retenus alpha 0.007143 entite : 1 beta 0.008000 entite : 1 gamma 0.008000 entite : 3 deplacement piece retenu u 0.200000 entite : 5 v 0.200000 entite : 3 w 0.200000 entite : 1 --------------------------------------------------- appui preponderant 0.188 --------------------------------------------------- appui d'orientation 0.200 --------------------------------------------------- butee 0.126

Figure 4.28 : les résultats du sous-module qualité de posage

160

160 Chapitre 5

160

L'apport des connaissances sur les prises de pièce dans un contexte de conception intégrée d'un produit161

5. L'apport des connaissances sur les prises de pièce dans un contexte de conception intégrée d'un produit

Bien que l'étude que nous avons menée s'adresse principalement au gammiste, il nous a semblé intéressant de voir les retombées pour un concepteur. Nous nous inscrivons bien évidemment dans un contexte de conception intégrée, thème principal développé dans notre équipe de recherche.

Nous ne développons pas ici une quelconque théorie de la conception intégrée : nous nous centrons uniquement sur les relations entre le métier usinage et le métier conception. Après avoir rappelé très brièvement la nécessité de penser intégration des connaissances de fabrication pendant la conception pour diminuer les coûts des produits, nous passons en revue les pistes proposées pour résoudre ce problème. Nos travaux sur les prises de pièce nous ont permis d'illustrer une de ces pistes; nous présentons ici un résumé d’un article proposé pour publication, et disponible en annexe, montrant l'intégration des connaissances sur les prises de pièce en usinage dans un outil de validation de la conception.

5.1. Intérêt de prendre en considération les connaissances de fabrication pendant la conception du produit

161

162 Chapitre 5

La période actuelle de concurrence internationale et de recherche de rentabilité

maximale impose une remise en question des principes classiques de conception d'un produit. Il ne s'agit plus de faire un produit qui fonctionne mais un produit qui se vend. La conception est alors devenue le facteur clé de la compétitivité des entreprises [Tichkiewitch 94].

Le facteur le plus important du coût d'un produit est bien le coût de fabrication comme le montre la courbe “dépenses réelles cumulées” de la figure 5.1. 70% du coût d'un produit est dû à sa fabrication. La courbe “coûts engagés” montre qu'il est illusoire de vouloir réduire sensiblement le coût du produit en travaillant seulement sur la fabrication du produit. 80% du coût final du produit est le résultat de décisions prises pendant le processus de conception de ce produit. Il s'agit donc bien de travailler à la réduction du coût de fabrication d'un produit mais en améliorant les prises de décisions pendant la conception de ce produit.

Définition des

spécifications

Conception Etudes Développement

Fabrication Pré-série

SérieUtilisation

temps

Utilisateur Ingénieur d'étude Fabricant Personnel de conduite

% du coût

50

100

70%

80%

95%

5%

20%Dépenses réelles cumulées coûts engagés

Figure 5.1 : Les coûts engagés et les dépenses réelles cumulées pendant la vie d'un produit d'après [Clautrier 91]

L'analyse de la figure 5.2 conforte cette analyse. C'est bien dans la phase de conception que l'on a une grande capacité d'action sur la définition du produit alors que ce produit n'est, à cet instant, que partiellement connu. Une intervention pendant la phase de fabrication se révèle bien moins performante car le produit est relativement bien défini et donc les capacités d'action sont réduites et coûteuses.

162


Capacité d'action

sur le projetDegré de connaissance

sur le projet

Phase papier Moyens réels Pré-séries Commercialisationtemps

Figure 5.2 : la capacité d'action et le degré de connaissance sur le projet pendant la vie du produit

5.2. Quelles réponses pouvons-nous apporter?

5.2.1. La Conception par entités d'usinage

La première idée a consisté à obliger le concepteur à travailler en manipulant des objets "fabricables". Ce sont des primitives géométriques correspondant à des volumes que l'on sait usiner. Ces primitives peuvent être rapprochées de la notion d'entité d'usinage. L'intérêt d'une telle pratique est évident :

• les pièces conçues sont obligatoirement fabricables car elles sont construites comme assemblage de modules que l'on sait fabriquer,

• il n'y a aucune difficulté pour passer du monde du concepteur au monde de l'usineur puisque les deux travaillent à partir des mêmes objets.

Un inconvénient majeur est assez vite apparu et a condamné cette approche; un concepteur ne peut pas travailler en manipulant des objets qui n'ont aucun sens pour lui.

5.2.2. La conception en respectant des règles d'usinage

La deuxième idée a consisté à élaborer des règles de conception intégrant des connaissances d'usinage assurant une certaine facilité, ou une certaine rentabilité, de l'usinage de la pièce. Le concepteur doit alors respecter au mieux ces règles quand il choisit une solution technique. La mise au point d'outils s'appuyant sur cette approche bute sur deux points :

163

164 Chapitre 5

• la détermination des règles se révèle plus délicate que prévu. Aux règles tellement

générales des premiers temps qui n'assuraient pas une efficacité d'usinage, ont succédé des règles très pointues de métiers qui bridaient toute initiative du concepteur. Des travaux importants sont maintenant lancés pour rechercher le niveau pertinent pour de telles règles.

• l'utilisation de ce jeu de règles n'est pas évident pour le concepteur. Il est indispensable de rechercher une méthodologie de conception, notamment une méthodologie de prise de décisions, permettant une prise en compte effective des règles issues de la fabrication.

5.2.3. Outils de fabricants validant la conception

Nous pouvons mettre à la disposition du concepteur, des outils qui permettent de valider, du point de vue du fabricant, la solution proposée par le concepteur. Ces outils travaillent à partir d'une pièce déjà conçue, tout au moins à partir d'une définition de pièce très avancée. Ils sont généralement intégrés dans un environnement de CFAO. L'analyse de la pièce conçue avec de tels outils permet de détecter les problèmes de fabrication et donne, avec les outils les plus avancés, des indications sur les améliorations qui peuvent être apportées.

C'est donc dans cet esprit que nous avons développé une application à partir des connaissances et des méthodes intégrées dans notre module MIAP sur les prises de pièce. A partir de la définition de la géométrie complète de la pièce (dans un environnement CAO : Euclid-Is), les possibilités de prise de pièce pour l'usinage sont reconnues. Les indicateurs de qualité que nous avons mis au point avertissent le concepteur sur le sens des modifications qu'il peut apporter à son étude pour améliorer sa conception en vue de prise de pièce en usinage efficace. Nous proposons en annexe B le fonctionnement de ce module à travers un article que nous avons soumis à la revue "Journal of Materials Processing Technology".

5.2.4. Apport de contraintes orientant la conception

Le stade ultime consiste à intégrer les contraintes dues au processus de fabrication dans le cycle de conception tout comme on a l'habitude de prendre en compte les contraintes de fonctionnement ou de dimensionnement. Il s'agit essentiellement :

• d'extraire les contraintes pertinentes de l'ensemble des connaissances d'usinage et de les formuler dans le contexte de conception,

164


• de mettre au point des mécanismes de prise de décisions où les contraintes sont de

natures différentes et souvent contradictoires. C'est dans cette voie que nous comptons nous lancer très prochainement.

5.3. Comment assister le concepteur dans la détermination des surfaces assurant une prise de pièce.

Afin de réduire les coûts et les délais de production, la conception d’un produit doit prendre en considération, le plus tôt possible, les contraintes dues aux différents métiers, et plus particulièrement les contraintes du métier usinage, intervenant dans l’industrialisation du produit. Pendant le processus de conception du produit, une part importante des connaissances d’usinage doit être mise à la disposition du concepteur. Pour faciliter l’intégration des connaissances d’usinage pendant la phase de conception du produit, nous avons développé des outils de fabricant capables d’assister le concepteur dans ses choix. Nous présentons ici deux types d’outils pour résoudre ce problème :

• le premier est un outil de spécialiste dans un environnement CAO qui permet de valider les solutions proposées par le concepteur; de tels outils sont d’ores et déjà disponibles au sein de notre laboratoire.

• le deuxième est un outil qui permet de contraindre le processus de conception de manière à trouver la bonne solution satisfaisant tous les métiers. Ce type d’outil est actuellement en cours de développement.

L’outil de détermination de la prise de pièce en usinage est un outil du premier type. Nous présentons dans l’annexe B, l’utilisation de cet outil au cours de la conception.

165

166 Conclusion

166

Conclusion 167

Conclusion

Les résultats de cette étude sur les prises de pièce confirment les principes que nous défendons déjà depuis plusieurs années, que ce soit en conception de gammes d'usinage ou en conception de produits dans un contexte de conception intégrée. Après avoir résumé très succinctement ces principaux apports, nous dégageons les perspectives de recherche lancées par cette étude.

Apports de cette étude sur les prises de pièce

Une formalisation de la connaissance sur les prises de pièce en usinage

L'apport essentiel, qui était la raison d'être de cette étude, tient dans la formalisation proposée pour l'étude des prises de pièce en usinage. Le modèle entité de prise de pièce, développé ici, permet à la fois une caractérisation satisfaisante d'une prise de pièce et la définition d'un support prometteur pour le développement des systèmes de conception de gammes d'usinage, tout à fait cohérent et complémentaire des supports développés jusqu'ici. Il permet tout particulièrement :

• de prendre en compte les problèmes de bridage. L'étude d'une prise de pièce ne reste pas seulement une étude de posage déconnectée des réalités industrielles.

• de créer une cohérence entre des différents modèles utilisés en gamme d'usinage. Les entités géométriques des modeleurs CFAO, les entités d'usinage et les entités de prise de pièce sont manipulées conjointement dans le même environnement et la même application.

167

168 Conclusion

• d'esquisser une fonction d'évaluation d'une prise de pièce. La caractérisation de la qualité de la prise de pièce mise en place laisse augurer de la possibilité d'évaluer prochainement les performances d'une prise de pièce.

Contribution à la gamme d'usinage

L'approche que nous développons au sein du laboratoire 3S sort particulièrement renforcée de cette étude :

• l'approche entité d'usinage est complétée par une approche entité de prise de pièce. La collaboration des deux structures ne pose pas problème.

• la détermination simultanée des prises de pièce nécessaires et des regroupements d'opérations d'usinage est possible. La construction, à partir de la description de la pièce, de l'ensemble des prises de pièce potentielles, puis la manipulation de cet ensemble pendant le raisonnement du gammiste sont validées.

Même si la structuration demande à être encore approfondie, notamment pour les cas où la géométrie de la pièce évolue fortement pendant l'usinage, nous pouvons envisager le choix d'une prise de pièce sur une entité créée spécialement à partir d'un état intermédiaire de la géométrie de la pièce. L'implémentation réalisée n'a fait qu'effleurer cet aspect.

Contribution à la conception intégrée des produits.

L'apport est ici essentiellement sur la définition de la problématique de conception intégrée. A la fin de cette étude, nous pouvons assurer qu'une pièce bien conçue en tenant compte des problèmes de prise de pièce en usinage permet des gains appréciables sur la qualité de la pièce obtenue, sur la qualité de la gamme d'usinage qui peut être proposée et donc globalement sur le coût et le délai du produit. Cette étude a permis aussi de participer à la création d'outil de conception intégrée en particulier :

• en développant un outil de vérification de la pertinence du produit conçu vis-à-vis de sa prise de pièce pour l'usinage,

• en définissant des indicateurs informant le concepteur sur les risques de non qualité de la pièce dus à l'usinage.

Perspectives

Ces résultats nous permettent d'envisager des avancées sérieuses dans les trois directions que nous nous sommes fixées.

168

Conclusion 169

Vers une étude approfondie des déformations de la pièce usinée

La qualité d'une pièce usinée dépend notamment de la maîtrise des déformations engendrées lors de l'usinage, déformations dépendant du phénomène d'usinage lui-même et des efforts de mise et de maintien en position de la pièce sur son montage d'usinage. Aux efforts de mise et maintien en position statique, s'ajoutent des efforts d'usinage variables dans le temps et dans l'espace ce qui engendre des déformations difficiles à contrôler. Une étude approfondie de ces déformations doit permettre :

• de modéliser les déformations,

• de prédire les déformations de la pièce usinée avec une bonne fiabilité,

• de compléter notre outil de détermination des prises de pièce par un module de calcul rapide des déformations générées par l'usinage et la prise de pièce.

Cette étude doit permettre de prendre en considération, le plus tôt possible dans le processus de conception de la gamme d'usinage, la connaissance liée aux déformations. Celle-ci intervient tant au niveau de la stratégie à adopter pour concevoir l'architecture de la gamme d'usinage qu'au niveau de la qualification d'une prise de pièce.

Vers une conception automatique des gammes d'usinage

Les premiers travaux que nous avons menés en conception de gammes d'usinage ont mis en évidence le manque de formalisation des connaissances sur les prises de pièce et la nécessité de penser l'intégration d'un système de gamme d'usinage dans un environnement de CFAO industriel. Cette étude a dégagé les pistes pour faire sauter définitivement ces deux verrous. Nous pouvons donc maintenant reprendre et compléter nos outils de conception de gammes par la mise en place ou l'amélioration des modules :

• conception d'un montage d'usinage,

• détermination des trajectoires d'outils coupants,

• choix de la stratégie de gamme.

Les îlots de connaissances des différentes tâches de conception de gamme d'usinage ont été maintenant suffisamment remplis pour rendre plus crédible la recherche de nouvelles méthodes de résolution de la problématique de gamme d'usinage.

Vers une intégration des connaissances d'usinage dans le processus de conception

169

170 Conclusion

L'intérêt d'apporter des informations de fabricant pendant le processus de conception d'un produit n'est plus à démontrer. Des outils de spécialistes associés aux systèmes de CAO sont d'ores et déjà disponibles et permettent de valider les solutions proposées. Le stade suivant consiste à penser des outils, toujours spécialisés, qui apportent des contraintes dues au processus de fabrication dès les choix de solutions faits pendant la phase de conception du produit.

Les premiers éléments à mettre en place doivent permettre de répondre aux questions suivantes :

• Quelles sont les informations d'usinage pertinentes pendant la conception du produit? Quand doivent-elles intervenir?

• Quelle coopération mettre en place pour permettre au métier usinage, ainsi qu'aux autres métiers intervenant dans le cycle de vie du produit, d'interagir efficacement pendant la conception du produit?

• Quel système d'informations permet de faire dialoguer ensemble ces intervenants? Comment passe-t-on des entités fonctionnelles du concepteur aux entités d'usinage du gammiste?

170

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