Approche de l’usinage haute précision avec des moyens de production standard
Richard CHATAIN ENSAM Cluny – [email protected]
Vincent MOREAU CTDEC – [email protected]
INTERCUT 2011 – 5 & 6 octobre 2011 – Cluses
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Plan
1- Application : accélérateur CLIC du CERN 2- Origine des défauts en usinage haute précision 3- Machine 4- Outils 5- Montage d’usinage 6- CFAO 7- Contrôle 8- Conclusions
Partenariat : CERN, CTDEC, Arts et Métiers ParisTech CLUNY
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1- Application : accélérateur CLIC du CERN
Le CLIC : CERN LInear Collider Prochaine génération d'accélérateurs : le CLIC est un accélérateur linéaire
prévu pour les années 2020 Collisionneur électron / positron de 48 km de long
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1- Application : accélérateur CLIC du CERN
Le CLIC : CERN LInear Collider Un faisceau à accélérer, un autre faisceau qui l’accélère Exigences géométriques extrêmes : Alignement à 10 microns sur 100 m dans le tunnel Stabilité nanométrique des faisceaux !
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1- Application : accélérateur CLIC du CERN
Un composant clé : la structure accélératrice Succession de cavités résonantes radiofréquence Constituée soit de quadrants, soit de disques
Structure accélératrice
Design alternatif en disques
PETS
Il en faudra plusieurs centaines de milliers
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2- Origine défauts en usinage haute précision
Liste non exhaustive des origines des principaux défauts
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3- Machine
Choix de la machine - besoins Centre d’usinage 3 axes de finition Précision élevée Architecture ouverte pour travaux de R&D Recherche du meilleur rapport précision / prix
Machine MPX Plateforme multi procédés (électroérosion, fraisage,
gravage, laser,…) Bâti en H symétrique Entrainement par vis à billes Guidage par glissières à billes haute précision Caractéristiques particulières :
Courses : X:200mm, Y:180mm, Z:100mm Règles optiques sur chacun des axes Broche 60 000 tr/min – 370W
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3- Machine
Test machine Broche de grande précision (dilatation et concentricité)
Architecture ouverte faible inertie thermique, développement de nouveaux systèmes facilité
Défauts compensables :
Défaut de perpendicularité : 10µm / 40mm Défaut de rectitude : 1.1µm / 40mm
Bonne répétabilité : 1.1µm
Bonne précision dynamique
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3- Machine
Thermique de l’environnement Installation dans un local dédié avec aspiration et
climatisation Influence de la position de la sonde de climatisation
Position 1 : régulation à ±2.5°C Position 2 : régulation à ±0.9°C
Thermique de l’usinage Thermique de la coupe : peu présente car faibles
passes Thermique de l’huile de coupe
Débit normal : +7°C Débit faible : +11°C
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4- Outils
En usinage de haute précision, il est impératif de maîtriser la flexion outils car elle influence directement la précision d’usinage. Plusieurs paramètres l’influencent : Maîtrise de l’acuité d’arête (ou préparation d’arête)
L’acuité d’arête est un des paramètres qui a le plus d’importance sur la flexion d’outils Il faut donc surveiller la constance des formes et dimensions des préparations d’arête.
Maîtrise de la section copeau dégradée par le faux-rond d’outil Exemple : fraise Ø3R1.5, ap 80µm, ae 80µm, fz 10µm hmax = 1.7µm
Du même ordre de grandeur que le faux-rond d’outil ! Selon les conditions de coupe, les outils de finition doivent avoir 1 seule dent
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180 °
4- Outils
Ø 0.2
Outil hémisphérique : problématique de la position de pointe outil
La pointe est décalée par rapport à l’axe outil :
La pointe se situe du même coté que l’arête de coupe fraise torique, zones inaccessibles
La pointe se situe du côté opposé à l’arête de coupe talonnage, augmentation des efforts de coupe, dégradation de l’état de surface, flexion outil importante
Facile à mesurer car il y a environ un facteur 100 entre précision du profil et précision de la pointe outil
0.1 mm entre pointe et axe outil !
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4- Outils
Matériau outil : comparatif des matériaux utilisés en usinage de finition
Attention : les matériaux diamant ne s’utilisent pas pour l’usinage des métaux ferreux
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5- Montage d’usinage
Pièce brute Surface à usiner
Surface d’appui Bridage de la pièce 1
Usinage 2
Pièce finie retour élastique lors du débridage 3
Problème de mise en contrainte de la pièce lors du bridage
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5- Montage d’usinage
Il est impératif de limiter la mise en contrainte de la pièce due au bridage. Principes de conception des montages d’usinage pour limiter les contraintes
Montage strictement isostatique
Limiter la dimension des surfaces d’appui et de bridage Bridage en face des points d’appui : effort normal et centré sur l’appui
Bridage hors des zones fonctionnelles de la pièce Attention au coefficient de dilatation du matériau du montage
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5- Montage d’usinage
Exemples de solutions standard permettant de limiter les contraintes de bridage Maintient par bridage localisé dans des alésages
Bridage par le froid Bridage par collage
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5- Montage d’usinage
Solutions provoquant au contraire une mise en contraintes de la pièce Maintient par dépression
Maintient par fixation magnétique
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6- CFAO
Chaîne numérique La chaîne numérique : c’est l’ensemble des données numériques que l’on
trouve entre une pièce fabriquée contrôlée et sa définition CAO
Simulation EF
0 BEGIN PGM SABRE MM 1 BLK FORM 0.1 Z X-35 Y-4 Z-7 2 BLK FORM 0.2 X+35 Y+4 Z+0 3 TOOL CALL 1 Z S4500 4 CALL LBL 101 5 L Z+150 R0 FMAX M9 6 L X+0 Y+0 R0 FMAX M92 7 FN 9: IF +0 EQU +0 GOTO LBL 99 8 LBL 101 9 L X+0 Y+0 R0 FMAX M3 10 LN X+10.124 Y-5.558 Z+20 11 LN X+10.124 Y-5.558 Z+1.553 12 LN X+10.456 Y-5.613 Z-0.418 13 LN X+10.45 Y-5.456 Z-0.423 14 LN X+10.432 Y-5.3 Z-0.427 15 LN X+10.401 Y-5.146 Z-0.431 16 LN X+10.359 Y-4.995 Z-0.436
CAO 3D
CAO 2D
FAO Code CN
Contrôle MMT
Simulation d’usinage
MOCN
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6- CFAO
La chaîne numérique en usinage Divers logiciels et réglages interviennent dans cette chaîne Jusqu’à 50 paramètres influents dans cette chaîne Par défaut, ces paramètres conviennent pour une précision d’environ 10 µm
0 BEGIN PGM SABRE MM 1 BLK FORM 0.1 Z X-35 Y-4 Z-7 2 BLK FORM 0.2 X+35 Y+4 Z+0 3 TOOL CALL 1 Z S4500 4 CALL LBL 101 5 L Z+150 R0 FMAX M9 6 L X+0 Y+0 R0 FMAX M92 7 FN 9: IF +0 EQU +0 GOTO LBL 99 8 LBL 101 9 L X+0 Y+0 R0 FMAX M3 10 LN X+10.124 Y-5.558 Z+20 11 LN X+10.124 Y-5.558 Z+1.553 12 LN X+10.456 Y-5.613 Z-0.418 13 LN X+10.45 Y-5.456 Z-0.423 14 LN X+10.432 Y-5.3 Z-0.427 15 LN X+10.401 Y-5.146 Z-0.431 16 LN X+10.359 Y-4.995 Z-0.436
CAO 3D FAO
Code CN
Logiciel conversion
format
Logiciel postprocesseur
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6- CFAO
Défauts courants des programmes FAO Erreur cordale
Erreur de position de l’outil
Discontinuité en tangence
Discontinuité en courbure
1 2
1 2
3
4 1 2
3
5
4
Défauts dimensionnels
Défauts d’état de surface
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6- CFAO
Paramètres de décalages des passes
Décalage centre outil souvent utilisé
Niveau Z le plus simple
Décalage point de contact disponible en principe sur les cycles isoparamétriques
Hauteur de crête constante le mieux pour respecter un état de surface mais calcul souvent faux (juste seulement pour les surfaces planes)
Attention à la section copeau qui influence directement
la flexion outil
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6- CFAO
Selon les surfaces, les stratégies donnent des choses différentes Exemple : usinage par balayage d’un rayon R 2 mm concave Fraise hémisphérique Ø3, ap 80 µm, fz 10 µm Réglage sur surface plane : hauteur de crête 0.5 µm ae 80 µm section copeau 200 µm²
0.5 µm
80 µm
Section 200 µm²
Fraise Ø3
Paramètres de réglage
R 2
Usinage par balayage d’un rayon concave
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6- CFAO
Tableau comparatif : usinage du rayon par balayage Pour un même réglage et selon le type de décalage de passes choisi, la
hauteur de crête peut être multipliée par 50 et la section copeau par 9.
Stratégie ae réel ae centre outil Hauteur de crête
Section copeau
Réglage référence surface plane 80 µm 80 µm 0.5 µm 200 µm²
Niveau Z 1130 µm 280 µm 26 µm 1800 µm²
Décalage centre outil 320 µm 80 µm 2 µm 700 µm²
Décalage contact outil / pièce 80 µm 20 µm 0.1 µm 300 µm²
Hauteur de crête constante 150 µm 40 µm 0.5 µm 470 µm²
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7- Contrôle
Pour mesurer des pièces de haute précision, il faut des moyens de mesure de très haute précision Machine à mesuré tridimensionnelle SIP du CTDEC Importance de la pression de contact lors du contrôle Importance de l’analyse des défauts de la pièce pour
comprendre les problèmes d’usinage
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7- Contrôle
Importance de la pression de contact lors du contrôle Endommagement des surfaces suite au contrôle par contact sur MMT :
attention à l’effort de palpage Exemple sur pièce en cuivre, Ra 0.01
Mesures MEB (CTDEC)
MMT standard
≈ 30 g Δ = 0.9µm
MMT SIP (0.8µm + L/800)
7 g Δ = 0.1µm
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7- Contrôle
Exemple d’analyse des défauts de la pièce Tolérances de la pièce : état de surface Ra 0.1 µm et défaut de forme Symétrie entre les iris 3, 10 et 19 gestion des défauts machine bien compensés Dérive sur la face intérieur des iris dérive thermique (peu de retour sur l’utilisation de la
machine et son comportement lors d’un usinage de longue durée)
74 75 76 77 78 79 80 81 82 83-8
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
19
-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5-8
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
10
-65 -64 -63 -62 -61 -60 -59 -58 -57 -56-8
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
3
Défauts mesurés sur la pièce
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8- Conclusions
En maitrisant une partie des défauts influents sur l’usinage haute précision Il est tout à fait possible de réaliser des pièces de haute précision sur des
moyens de production standard D’autres développements peuvent êtres effectués pour maitriser le plus de
paramètres possibles
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