UGV


Nous traiterons dans cette partie les diverses exigences imposées aux machines et aux outils utilisés en UGV. Certains avantages et inconvénients liés à l'UGV sont également évoqués ici.

Avantages de l'UGV

La température de l'outil de coupe et de la pièce est maintenue au minimum, ce qui permet une augmentation de la durée de vie d'outil dans de nombreux cas. Par ailleurs en UGV les passes sont de faibles profondeur et le temps d'engagement de l'arête de coupe est extrêmement court. Ce temps d'engagement court en plus de limiter la propagation de la chaleur diminue la flexion de l'outil ce qui nous ramène à un des objectifs de l'UGV : un meilleur respect des dimensions. De plus ceci permet d'allonger le porte-à-faux tout en diminuant les risques de vibrations.

Les faibles efforts de coupe entraînent une flexion légère et régulière de l'outil. Cette caractéristique, combinée à une surépaisseur d'usinage que l'on va chercher à garder constante pour chaque opération, sont les conditions préalables à un processus de production fiable et hautement productif. Comme les profondeurs de coupe sont traditionnellement faibles en UGV, les forces radiales sur l'outil et la broche sont faibles, ce qui économise les paliers de broche, les clavettes et les vis à billes.

Usinage productif pour les pièces de petite taille.

Lorsque la surépaisseur d'usinage totale est relativement faible, il est économique de réaliser l'ébauche, la semi-finition et la finition avec l'UGV. Productivité élevée dans les opérations de finition en général et possibilité de réaliser un excellent état de surface.


Possibilité d'usiner des pièces à parois très minces

La paroi peut par exemple présenter une épaisseur de 0,2 mm et une hauteur de 20 mm si l'on utilise une méthode appropriée aux usinages dit «  voile mince « . Utiliser le fraisage en avalant. Le temps de contact entre l'arête et la pièce doit être extrêmement court pour éviter les vibrations et la flexion de la paroi. La micro-géométrie de la fraise doit être très positive avec une très bonne acuité d'arête.

La précision géométrique

Cette précision permet un assemblage plus rapide et plus aisé. Même si l'usinage nécessite un certain nombre d'heures supplémentaires, le polissage manuel toujours très long est réduit considérablement, souvent de l'ordre de 60 à 100 %.!

Réduction du processus

Réduction du processus de production puisque la trempe, le fraisage des électrodes et l'électroérosion peuvent être réduits, ce qui permet une diminution des investissements et simplifie la logistique. La réduction des équipements d'électroérosion libère également de l'espace au sol. A noter que l'UGV permet des tolérances dimensionnelles de 0,02 mm tandis que celles autorisées par l'électroérosion sont de 0,1 à 0,2 mm.

La longévité

Concernant d'une matrice ou d'un moule, leur longévité peut également être parfois augmentée lorsque l'électroérosion est remplacée par l'usinage. Lorsqu'elle n'est pas correctement réalisée, l'électroérosion peut engendrer une fine couche écrouie directement sous la couche supérieure fondue. La couche écrouie peut avoir une épaisseur jusqu'à 20 microns d'une dureté pouvant aller jusqu'à 1000 Hv. Comme cette couche peut être considérablement plus dure que la matrice, elle doit être enlevée et il s'agit d'une opération de polissage difficile et souvent très longue. L'électroérosion peut également engendrer des criques verticales dans la couche supérieure fondue et re-solidifiée. Ces criques peuvent, en conditions défavorables, aller jusqu'à entraîner la rupture d'une partie du moule.

Réactivité

Les changements de formes peuvent être réalisés très rapidement via la CAO/FAO, en particulier dans les cas où il n'est pas nécessaire de produire de nouvelles électrodes.

Quelques inconvénients liés à l'UGV


Principales caractéristiques de la machine-outil et du transfert de données en UGV


Exigences spécifiques demandées aux outils de coupe en carbure monobloc

Exigences spécifiques demandées aux fraises à plaquettes

Fraisage sous arrosage

Les nuances de carbure modernes, en particulier les carbures revêtus, ne nécessitent pas en temps normal de liquide de coupe en cours d'usinage. Les nuances GC donnent de meilleurs résultats en matière de durée de vie et de fiabilité lorsqu'elles sont utilisées à sec. Ceci est encore plus vrai pour les cermets, les céramiques, le nitrure de bore cubique et le diamant. Les vitesses de coupe élevées utilisées aujourd'hui engendrent de fortes températures dans la zone de coupe. La coupe s'accompagne de la formation d'une zone entre l'outil et la pièce, avec des température de l'ordre de 1000°C, voire plus. Tout liquide de coupe entrant en contact avec les arêtes de coupe serait instantanément transformé en vapeur et n'aurait donc plus aucun effet refroidissant. L'emploi d'un liquide de coupe en fraisage ne fait qu'amplifier les variations de température qui se produisent lorsque les plaquettes entrent et sortent de la pièce. En usinage à sec, ces variations existent également mais dans la limite de la plage de températures pour laquelle la nuance a été conçue.
Ajouter un liquide de coupe ne fait qu'augmenter ces variations en refroidissant l'arête de coupe à sa sortie de pièce. Ces variations ou chocs thermiques entraînent les contraintes cycliques et des fissures thermiques, ce qui, bien sûr, conduit au vieillissement prématuré de l'outil. Plus la zone de coupe est chaude, moins un liquide de coupe est approprié. Les nuances de carbure modernes, les cermets, les céramiques et le CBN sont conçus pour résister à des vitesses et des températures élevées et stables.
Lorsqu'on utilise des nuances de fraisage revêtues, l'épaisseur du revêtement joue un rôle capital. L'effet que peut avoir un réfrigérant sur des plaquettes de fraisage à revêtement fin et épais peut être comparé à l'effet produit lorsqu'on verse de l'eau bouillante simultanément dans un verre à parois minces et dans un autre à parois épaisses pour voir lequel se brise.
Une paroi ou un revêtement mince entraîne moins de tensions et de contraintes thermiques. C'est pourquoi c'est le verre à parois épaisses qui se brisera du fait des variations importantes de température entre l'intérieur brûlant et l'extérieur froid. Cette même théorie s'applique pour une plaquette à revêtement épais. Des différences de durée de vie de l'ordre de 40 %, voire plus dans certains cas, sont monnaie courante, en faveur de l'usinage à sec.
Lorsque l'usinage de matériaux collants tels que les aciers bas carbone et les aciers inoxydables doit se produire à des vitesses entraînant la formation d'arêtes rapportées, il convient de prendre certaines précautions. Le température dans la zone de coupe doit être soit supérieure, soit inférieure à la zone critique de formation d'arête rapportée. Lorsque la zone de flux se produit à des températures supérieures, le problème est éliminé et il n'y a pratiquement plus de formation d'arêtes rapportées.
Si on opte pour des vitesses de coupe faibles engendrant des températures plus basses, il est alors possible d'utiliser un réfrigérant sans conséquences trop nocives sur la durée de vie d'outil.

Economies substantielles grâce à l'usinage à sec:

Liquide de coupe en UGV

En usinage conventionnel, lorsque la chaleur a le temps de se propager, il peut être parfois nécessaire d'utiliser un réfrigérant pour empêcher qu'une chaleur excessive se propage à la pièce, l'outil de coupe et l'attachement ainsi, éventuellement, qu'à la broche machine. Cet arrosage peut se traduire par une légère dilatation de la pièce à usiner et de l'outil pouvant nuire au respect des tolérances. Ce problème peut être résolu de différentes façons. Il est beaucoup plus favorable, pour la précision du moule ou de la matrice, d'effectuer l'ébauche et la finition sur des machines distinctes. La chaleur transmise à la pièce ou à la broche en finition est en effet négligeable.
Une autre solution consiste à utiliser un matériau de coupe à faible conductivité thermique comme les cermets. Dans ce cas, une grande partie de la chaleur est évacuée avec les copeaux, même en usinage conventionnel. Cela peut paraître secondaire, mais un des principaux facteurs de réussite des opérations d'UGV est l'évacuation totale des copeaux de la zone de coupe. Eviter le recyclage des copeaux lorsqu'on usine de l'acier traité est absolument essentiel pour garantir la fiabilité de la durée de vie d'outil ainsi que la sécurité du processus d'usinage.
La meilleure façon de garantir une parfaite évacuation des copeaux consiste à utiliser de l'air comprimé qui doit être bien dirigé sur la zone de coupe. L'idéal est que la machine soit équipée d'une option de soufflage à travers la broche. L'alternative consiste à avoir un mélange d'huiles sous haute pression dirigé vers la zone de coupe, de préférence à travers la broche.
La troisième possibilité consiste à utiliser un réfrigérant sous haute pression (environ 70 bar ou plus) avec un fort débit, de préférence également à travers la broche.
La plus mauvaise solution est l'adduction externe d'un réfrigérant ordinaire avec faibles pression et débit.
Si on utilise des plaquettes carbure ou des outils en carbure monobloc, la différence de durée de vie d'outil entre la première alternative proposée et la dernière peut être de 50 %.
Lors de l'utilisation de cermet, de céramique ou de nitrure de bore cubique, l'utilisation de réfrigérant est déconseillée.

Transfert de données et outils équilibrés

L'UGV nécessite l'emploi de machines-outils spécifiques. Il est également tout aussi important de disposer de logiciels et de commandes numériques présentant des caractéristiques et options spécifiques permettant la programmation de trajectoires d'outils optimales.

CAO/FAO ET STRUCTURES CNC

L'UGV a mis en évidence la nécessité de développer la technologie FAO et CNC de façon radicale.
L'UGV ne veut pas dire simplement contrôler et commander les axes ainsi que faire tourner les broches plus rapidement. Les applications d'UGV ont fait naître le besoin d'une communication beaucoup plus rapide entre les différentes unités entrant dans la chaîne de production.
Il existe également en UGV des conditions propres à ce processus de coupe que les machines CNC conventionnelles ne peuvent pas traiter.

Ce type de structure se caractérise par une configuration spécifique des données pour chaque ordinateur. L'échange de données d'un ordinateur à l'autre ne peut se faire que s'il y a adaptation et transcription. De plus la communication est à sens unique. Il y a souvent plusieurs types d'interfaces sans qu'il y ait de standard commun.

DOMAINES PROBLÉMATIQUES

Le principal problème est qu'une CNC conventionnelle ne comprend pas les informations géométriques avancées en provenance des systèmes de CAO/FAO s'il n'y a pas transcription et simplification.

Cette simplification veut dire que ces informations géométriques de haut niveau (courbes complexes) issues de la CAO/FAO sont transformées en trajectoires d'outils primitives, basées sur des lignes droites entre des points avec une certaine marge de tolérance. Au lieu d'une courbe, on aura une trajectoire d'outil linéaire. Afin d'éviter la formation de facettes, de marques dues aux vibrations et de conserver un bon état de surface sur la pièce, la résolution doit être très élevée. Plus la tolérance sera étroite (la valeur séparant deux points doit être normalement comprise entre 2 et 20 microns), plus le nombre de blocs CN sera élevé. Ceci est également vrai pour les vitesses – plus la vitesse de coupe et l'avance de table seront élevées, plus le nombre de blocs CN sera important.

De ce fait, on peut constater aujourd'hui que certaines applications d'UGV sont limitées car les temps de cycle des blocs ont atteint des niveaux proches de 1 msec.
Des temps de cycles aussi courts nécessitent une énorme capacité de transfert des données. Cela va donc créer des goulots d'étranglement pour tout le processus à cause d'une surcharge des réseaux de l'atelier et va nécessiter également une capacité de mémoire importante de la CNC et un système informatique puissant.
Un bloc CN comporte généralement 250 bits et si le temps de cycle du bloc se situe entre 1 et 5 msec, la CNC doit pouvoir traiter entre 250 000 et 500 000 bits/sec !

La structure classique permettant de générer des données et de réaliser l'usinage et le processus de prise de cotes peut ressembler à l'illustration ci-dessous.
Géométrie de la pièce. CAO – création/dessin d'un modèle géométrique 3D basé sur des calculs mathématiques poussés (courbes Bezier ou NURBS)
Trajectoire d'outil générique. Création de fichiers FAO représentant les trajectoires d'outil, les méthodes d'approche, les outils et conditions de coupe, etc.
Programme CN. Création d'un programme CN via le post-traitement des fichiers FAO pour un type de contrôleur spécifique
Usinage de la pièce, moule ou matrice, etc. via les commandes en provenance de la CNC.
Prise de cotes. Enregistrement et transmission des jauges outils, CAQ (Computer Aided Quality assurance)
disposer de logiciels et de commandes numériques présentant des caractéristiques et options spécifiques permettant la programmation de trajectoires d'outils optimales. Dans cet article, nous abordons l'importance de disposer d'attachements adéquats et d'outils équilibrés. unités entrant dans la chaîne de production.
Il existe également en UGV des conditions propres à ce processus de coupe que les machines CNC conventionnelles ne peuvent pas traiter.
Ce type de structure se caractérise par une configuration spécifique des données pour chaque ordinateur. L'échange de données

FONCTION ANTICIPATION

Dans les applications d'UGV, le temps d'exécution d'un bloc CN peut, dans certains cas, ne pas dépasser 1ms. Ce laps de temps est beaucoup plus court que le temps de réaction des différentes fonctions des machines-outils, qu'elles soient mécaniques, hydrauliques ou électroniques. En UGV, il est donc absolument essentiel de disposer d'une fonction anticipation avec intelligence géométrique intégrée. Si on ne dispose que d'une fonction d'anticipation conventionnelle qui ne peut lire que quelques blocs à l'avance, la CNC doit ralentir et entraîner les axes à une vitesse de surface si faible que toute modification de l'avance peut être contrôlée. Dans ce cas, bien évidemment, les applications d'UGV ne sont pas possibles.
Une fonction anticipation avancée doit pouvoir lire et vérifier des centaines de blocs à l'avance en temps réel et identifier/ définir les cas où la vitesse de surface doit être modifiée ou toute autre action entreprise.
La partie supérieure de cette pièce a été usinée avec une machine ne possédant pas de fonction anticipation suffisante et il apparaît clairement que les rayons ont été surusinés comparée à la partie inférieure usinée avec une fonction anticipation suffisante.
Une fonction anticipation moderne analyse la géométrie en cours d'usinage et optimise la vitesse de coupe en fonction des changements de courbes. Elle contrôle également que la trajectoire d'outil est bien conforme à la plage de tolérances.
La fonction anticipation est une fonction de base pour tout système de commande numérique utilisé pour l'UGV dont la conception, l'utilité et la polyvalence peuvent être très variables d'une machine à l'autre.

CHOIX DES ATTACHEMENTS

De la même façon que la CAO/FAO et la CN sont des facteurs importants pour obtenir de bons résultats d'usinage et une production optimisée, les attachements/outils de coupe jouent eux aussi un rôle déterminant.
Un des principaux critères à prendre en considération lors du choix des attachements et des outils de coupe est l'obtention d'un faux-rond le plus faible possible. Plus le faux-rond sera limité, plus la charge sera répartie sur toutes les plaquettes de la fraise (Un faux-rond égal à zéro engendrerait en théorie la meilleure durée de vie d'outil et le meilleur état de surface).
Dans les applications d'UGV, l'indicateur total de faux-rond doit être de 10 microns maximum au niveau de l'arête de coupe.
Il faut se souvenir que dix microns supplémentaires au niveau du saut radial se traduisent par une réduction de 50 % de la durée de vie d'outil !
L'équilibrage comporte plusieurs étapes et se déroule généralement comme suit :

L'équilibrage de l'outil ne résout pas tous les problèmes d'instabilité. Il peut y avoir entre autres un mauvais ajustement entre le porte-outil et l'interface de la broche.
Ceci s'explique par le fait qu'il y a souvent un jeu important dans la fixation et il peut également y avoir un copeau ou de la poussière à l'intérieur du cône. Il y a peu de chance que le cône s'ajuste de la même manière à chaque fois. La présence d'un corps étranger peut créer un déséquilibre même si l'outil, le porte-outil et la broche sont tout à fait fiables par ailleurs.
L'équilibrage des outils est une source supplémentaire de coûts et il faut dans chaque cas vérifier si la réduction de coûts engendrée par l'équilibrage se justifie. Dans certains cas, il n'existe néanmoins pas d'autre solution pour obtenir la qualité d'usinage souhaitée.
Toutefois, une sélection minutieuse des outils appropriés à l'opération permet souvent d'obtenir un bon équilibre. Lors du choix de vos outils, veillez à respecter les points suivants :
Le balourd de l'outil que le processus d'usinage peut accepter est déterminé par le processus lui-même, à savoir les efforts de coupe, l'équilibrage de la machine et dans quelle mesure il y a interférence entre ces deux facteurs. C'est en procédant par tâtonnement qu'on trouvera le meilleur compromis d'équilibre. Pour ce faire, répéter l'opération plusieurs fois en utilisant des valeurs différentes en partant par ex de 20 g-mm et en allant en diminuant.
Après chaque opération, adopter un outil plus équilibré et recommencer. L'équilibre optimal est obtenu quand on arrive au point où une nouvelle amélioration de l'équilibrage de l'outil n'entraîne plus d'amélioration de la précision ou de l'état de surface de la pièce ou lorsque l'usinage respecte les tolérances spécifiées pour la pièce.
Il faut toujours rester concentré sur le processus d'usinage et ne pas se focaliser sur une valeur G ou autre objectif arbitraire en matière d'équilibrage. Votre objectif doit toujours être de réaliser un usinage aussi performant que possible. Ceci implique donc de comparer les coûts engendrés par l'équilibrage de l'outil et les avantages que cet équilibrage peut apporter et d'arriver à un bon équilibre entre les deux.


Sous fortes vitesses, la force centrifuge peut être suffisamment importante pour dilater légèrement l'alésage de la broche.
Ceci a un effet négatif sur certains outils à bride en V qui ne sont en contact avec l'alésage de la broche que sur le plan radial.
La dilatation de la broche peut entraîner un déplacement de l'outil en direction de la broche par l'effort de traction constant du tirant. Ceci peut entraîner un grippage de l'outil ou un manque de précision dimensionnelle dans l'axe des Z.
Les porte-outils cône-face conviennent mieux à l'usinage grandes vitesses.
Lorsque la broche commence à se dilater, le contact facial empêche l'outil de se déplacer dans l'alésage. Les outils à manche creux sont également soumis à la force centrifuge mais sont conçus pour se dilater avec l'alésage de la broche sous vitesses élevées. Le contact outil/broche à la fois dans le sens axial et radial résulte en un accouplement rigide autorisant un usinage agressif.

Lorsqu'on envisage de faire de l'UGV, il faut s'efforcer d'utiliser une combinaison porte fraise/fraise qui soit symétrique. Il est possible d'utiliser différents systèmes d'attachement. Toutefois le frettage, qui consiste à chauffer le porte-outil de façon à dilater l'alésage qui se resserre lors de son refroidissement et maintient ainsi l'outil, est considéré comme étant une des méthodes les plus fiables pour l'UGV.
Tout d'abord parce que le saut radial est réduit au minimum, ensuite du fait que l'accouplement peut transmettre un couple élevé ; il est par ailleurs aisé de construire des outils et des assemblés sur mesure et enfin, cette méthode confère à l'assemblé une rigidité d'ensemble élevée.

L'alternative au frettage thermique est un frettage mécanique comme par exemple la solution de TRIBOS de Shunk.http://www.schunk.com/


Suite : Outils et conditions de coupe pour l'usinage grande vitesse




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