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4-2-1MEC-780 – Concept ion pour la fabr icat ion et l ’assemblage - DFMA SYS-849: Techn iqu es avan cées d e mis e en form e: Usin age I SYS-849: Techniqu es avan cées d e mis e en form e: Usin age II
MISE EN FORME PAR USINAGE II:
Qualité, vie des outils et coûts
Techniques avancées de mise en forme
4-2-2MEC-780 – Concept ion pour la fabr icat ion et l ’assemblage - DFMA SYS-849: Techn iqu es avan cées d e mis e en form e: Usin age I SYS-849: Techn iqu es avan cées d e mis e en form e: Usin age I
Contenu1. Précision et fini de surface des pièces
2. Outils de coupe
3. Usure et vie des outils de coupe
4. Aspects économiques de l’usinage
5. Usinabilité des matériaux6. Critères limitatifs des machines et choix des conditions de
coupe
7. Quelques études de cas en usinabilité
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Qualité des pièces
Source: Groover, Fundamentals of Modern Manufacturing, John Wi ley & Sons, 2002
Spécifier les tolérances et finis de surface les plus larges possibles selon la performance requise pour lescomposantes et en relations avec les procédés.
4-2-4MEC-780 – Concept ion pour la fabr icat ion et l ’assemblage - DFMA SYS-849: Techn iqu es avan cées d e mis e en form e: Usin age I
Précision & fini de surface• Spécifier les tolérances et finis de surface les plus
larges possibles selon la performance requise pour lescomposantes.
0.025 à 0.05 mm (0.001-0.002 in) Difficiles
moins de 0.0127 mm (0.0005in) Très difficiles
demande un bon équipement rigide, précis et un opérateur bien qualifié
---> accroissement significatif des coûts d’usinage
Tolérances d’usinage
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4-2-5MEC-780 – Concept ion pour la fabr icat ion et l ’assemblage - DFMA SYS-849: Techn iqu es avan cées d e mis e en form e: Usin age I
États de surface usuels
Source: Boothroyd et al., Product Design for Manufacture & Assembly, Marcel Decker, New York, 1994
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Influence de Ra sur le coût
r f
0.0321 Ra2
f: vitesse d’avance en mm/tr r: rayon de l’outil ou des plaquettes
En tournage avec un outil ayant un rayon au bec (r),la rugosité est donnée par l’expression empirique
Le temps d’usinage peut être relié à l’avance par:
w
wm
n f
l T
(a)
(b)
lw: longueur de la pièce et nw la vitesse de rotationSi on remplace f tiré de (a) dans (b) on a :
r Ran
l 0.18T
w
wm
0
12
3
4
56
7
8
910
11
0 2,5 5 7,5 10 12,5
Rugosité moyenne: Ra ( m)
C o
û t p a r p
i è c e
( $ )
Coûts non productifs
Coûts d'usinage
Fig. 7.48 : Influence de ra sur les coûtsRayon au bec de l’outil: r = 0.762 mm vitesse de rotation: 200 rpmlongueur de la pièce: 864 mm
Source: adapté de Boothroyd
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4-2-7MEC-780 – Concept ion pour la fabr icat ion et l ’assemblage - DFMA SYS-849: Techn iqu es avan cées d e mis e en form e: Usin age I SYS-849: Techn iqu es avan cées d e mis e en form e: Usin age I
Fini de surface
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Fini de surface théorique
32
2 2
a f f
R 0.0321r r
Tournage
f: avancer : rayon de nez de l’outil
642*
f 2
a 2
0.0 V R
D N
Fraisage et outils à dents multiples
Vf: avance par dent
N: Vitesse de rotation D: Diamètre de l’outil
Multiplier la valeurcalculée par le rapportdonné à la figure 16.37
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4-2-9MEC-780 – Concept ion pour la fabr icat ion et l ’assemblage - DFMA SYS-849: Techn iqu es avan cées d e mis e en form e: Usin age I
Géometries des outils de coupe
642*
f 2
a 2
0.0 V R
D N
Fraisage etoutils à dents multiples
Vf: avance par dent N: Vitesse de rotation D: Diamètre de l’outil
Multiplier la valeurcalculée par le rapportdonné à la figure 16.37
4-2-10MEC-780 – Concept ion pour la fabr icat ion et l ’assemblage - DFMA SYS-849: Techn iqu es avan cées d e mis e en form e: Usin age I
Géometries des outils de coupe
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Géometries des outils de coupe
4-2-12MEC-780 – Concept ion pour la fabr icat ion et l ’assemblage - DFMA SYS-849: Techn iqu es avan cées d e mis e en form e: Usin age I
Géometries des outils de coupe
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4-2-15MEC-780 – Concept ion pour la fabr icat ion et l ’assemblage - DFMA SYS-849: Techn iqu es avan cées d e mis e en form e: Usin age I
Usure des outils (2)
Temps de coupe
U s u r e
( V B o u
K T )
U s u r e
( V B o u
K T )
Usureà taux d’usure constant
Vitessecroissante V3 V2 V1 V1> V2>V3
T1, T2 et T3: durée de vie des outilsTemps de coupe
T3 T2 T1
Critèrede vie
4-2-16MEC-780 – Concept ion pour la fabr icat ion et l ’assemblage - DFMA SYS-849: Techn iqu es avan cées d e mis e en form e: Usin age I
Vitesse de coupe
V i e
d e
l ’ o u
t i l ( m i n ) T5
T3
T2T1
T4
V1 V2 V3 V4 V5
Echelle Log
Vie utile des outils
Log (Vc)
L o g
( T )
X
Y
cteC VT n Loi de Taylor
15
15
T T V V
Y X
tan( β n )
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Paramètres de Taylor
Source: Groover, Fundamentals of Modern Manufacturing, John Wi ley & Sons, 2002
cteC VT n En généraln 0.125 outil en acier au carbonen 0.09 à 0.14 acier rapiden 0.25 à 0.3 carburen 0.5 à 0.6 céramique
4-2-18MEC-780 – Concept ion pour la fabr icat ion et l ’assemblage - DFMA SYS-849: Techn iqu es avan cées d e mis e en form e: Usin age I
Coûts d’usinage • Coûts non productifs : chargement,
déchargement, montage, mouvementsrapidesd’approche, retour de la table. Cescoûts sont indépendants des paramètres decoupe.
• Coûts des outils : prix des plaquettes, des porte-outils, coûts des changementsd’outils, coûtsd’affutage .
• Coût d’enlèvement de métal : Décroîtquand la vitesse augmente.
Les coûts des outils et le coûtd’enlèvement de métal dépendent des conditions et paramètres de coupe.
VitesseéconomiqueV min
Coût des tempsnon productif
Coût totald’usinage
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Courbe de productivité maximale
Vitessede production maximale
V max
Productivité
Débit
temps de changement d’outil Vie utile de l’outil
Vitesse
p
T t
t )60(1
Pr ct
Le nombre de pièces produites par
heure (Pr) est donné par
tct: temps de changement de l’outil T : Vie utile de l’outil tp: Temps total par pièce incluantle temps d’usinage et les temps non productifs
4-2-20MEC-780 – Concept ion pour la fabr icat ion et l ’assemblage - DFMA SYS-849: Techn iqu es avan cées d e mis e en form e: Usin age I
Economical speed Max. productivity speed
C o s
t p e r p i e c e , $
P r o
d u c t
i v i t y :
P i e c e s /
h o u r
C u t t i n g c o s t
Cutting speed
Non-cutting cost
T o o l
c o s t
Total machining cost
P r o d u c t i v
i t y
n
n1
t ct min 1) )( C (Mt
M C V
esse conom que evitesse de production maximale
V min V max
n1)( t C
V n1
ct max
Avec:
M: Coûts d’opération : opérateur + machine C: Constante dans la loi de Taylor: VTn = Cn: exposant de Taylor : VTn =C = ctetct: Temps de changement de l’outil Ct: Coût initial des outils (à l’achat)
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Usinabilité des Matériaux
Vitesse pourle matériau testé
VitesseMatériau de REF(acier au carbone1112
Pour une viede l ’outil fixée(60 min)
0/V V M
Source: Groover M. P., 2012, Introduction to Manufacturing Processes, John Wiley & Sons Inc.
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Définitions de l’usinabilité
Songmene v., 2000, Machining conditions optimization seminar, IRDI, ON
• BUE tendency• Chip formation• Burr formation
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Ex. Usinabilité des aciers à moulesP-20 (34 Rc)
TH-100 (33 Rc)
NAK 80 (40 Rc)
KAPSTAR (40 Rc)
Tool life-cutting speed coefficients Exponent “n” 0.53 0.424 0.625 0.31Constant “C” 2806 1283 2338 854.6
Costs dataK : labour rate ($/hr) 50 50 50 50Tool indexing time (min)
3 3 3 3
Tool cost ($/edge) 7 7 7 7Optimal speeds
M in. speed (sfm) 823 401 703 314
M ax. speed (sfm) 1671 707 1619 474
Unit machining costs ($/in3/edge)Based on economical speed
1.82 3.14 2.59 3.47
Based on m ax speed 2.04 3.54 2.86 3.89
Based on an ar bitrar y speed of 700 sfm
1.88 3.52 2.59 6.33
Machining cos ts for 100 mou lds requir ing the removal of 1 cubic
feet of metal on each Speeds
Econ omical speed 314 k$ 543 k$ 448 k$ 600 k$Max pr oductivity 352 k$ 612 k$ 495 k$ 673 k$ Selected speed of 7 00 sfm 325 k$ 608 k$ 448 k$ 1 093 k$
Usinage de aciers à moules
Outils en carbures revêtusde TiN
cteC VT n
Loi de Taylor
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Usinabilité des alliages d’aluminium • Les alliages d’aluminium ont généralement une
bonne usinabilité: – Vie élévée des outils de coupe; – Forces de coupe réduites; – De très grandes vitesses de coupe peuvent être utilisées:
10000 -12 000 sfm (3000-3500 m/min)• Des problèmes potentiels avec:
– Le contrôle et la gestion des copeaux ; – Arrête rapportée: le matériau de la pièce adhère à l’outil et
cause une détériolation du fini de surface; – Formation des bavures: leur enlèvement est coûteux et non
productif; – Les alliages eutectics et les hyper-eutectics — Usure abrasive.
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Usinabilité: Acier à moule P20
Songmene v., 2000, Machining conditions optimization seminar, IRDI, ON
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Usinabilité des matériaux durs
Songmene v., 2000, Machining conditions optimization seminar, IRDI, ON
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Usinabilité des aciers inoxydables
Songmene v., 2000, Machining conditions optimization seminar, IRDI, ON
4-2-30MEC-780 – Concept ion pour la fabr icat ion et l ’assemblage - DFMA SYS-849: Techn iqu es avan cées d e mis e en form e: Usin age I SYS-849: Techn iqu es avan cées d e mis e en form e: Usin age I
Usinabilité des fontes
Songmene v., 2000, Machining conditions optimization seminar, IRDI, ONPlus ductile ( A% = 10 à 20%)que la fonte grise
Très dure (400-600 HB) et fragile(effet de Fe3C)Très difficile à usiner
Très résistante à l’usure
• Résistance élevée• Bonne ductilité et malléabilité
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Vitesse = f(matériau de l’outil)
Source: Groover, Fundamentals of Modern Manufacturing, John Wi ley & Sons, 2002
PCD sur aluminium : 10000 à 12 000 pieds/minCéramiques et Si 3 N 4 sur aciers et fontes: 800 à 3000 pieds/minCarbures sur aciers et fontes : 1000 à 3000 pieds/min
Acier rapide sur aluminium : 200 pieds/min
2004
4-2-32MEC-780 – Concept ion pour la fabr icat ion et l ’assemblage - DFMA SYS-849: Techn iqu es avan cées d e mis e en form e: Usin age I SYS-849: Techn iqu es avan cées d e mis e en form e: Usin age I
• La puissance maximale: hp• Vitesse de rotation : N• Vitesse d’avance max: F
• Dimensions max de la table• Couple max
r res m a sdes machines-outils
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Vitesses de coupedes matériaux - aéronautique
Vitesse de coupe (m/min) pour outil en carbure
Matériaux Tournage(profondeur = 2.5 mm)
Fraisage de bout(profondeur = 3 mm)
Aluminium 7075-T6 (- 150 BHN) 600 130
Inconel 700 (300-400 BHN) 135 1 à 2
Monel 400 (115-240 BHN) 60-80 9
Hastelloy et inconel 600 (240 –310 BHN) 30 3 à 4
René 41 (300-400 BHN) 135 1 à 2
Ti-6Al-4V (325-350 BHN) 48 12
Inox 17-7 PH (375-440BHN) 60 11
Inox aust. 310 (225-275 BHN) 110 12
4-2-34MEC-780 – Concept ion pour la fabr icat ion et l ’assemblage - DFMA SYS-849: Techn iqu es avan cées d e mis e en form e: Usin age I SYS-849: Techn iqu es avan cées d e mis e en form e: Usin age I
Puissance de coupe• Puissance requise pour la coupe
w sm Z P hp P )(Ps (hp/in3/min) : puissance spécifique par unité de volume de matériau usiné.
Zw (in3): débit du copeau ou tauxd’enlevement de métal
Puissance électrique consommée:
E P
P me Générallement E varie entre 70 et 80 %
E : éfficacité de transmission de puissancemoteur-broche-outil.
1 hp = 745.7 watts
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Puisances spécifiques (hp/in 3/min)
Matériaux Examples Dureté Tournage et Perçage Fraisage
(Bhn) alésage
Acier au carbone (bas % C) 1006, 1010 150-200 1,10 0,95 1,10
Acier au carbone (% c moyen ou haut) 1095, 1108, 1151 200-250 1,45 1,40 1,60
Aciers alliés 1320, 4140, 4340, 5115 150-200 1,30 1,15 1,30
Acier inox. Ferritique 405, 430, 446 135-185 1,55 1,35 1,70
Aciers à outils H13, HSS, O2, D2, P20 200-250 1,45 1,40 1,50
Alliages de nickel INCONEL, RENE 41 80-360 2,25 2,00 2,15
Alliages de titane Ti-4 Al-4V 200-275 1,35 1,25 1,25
Alliages de cuivre Cuivre, laiton, bronze 40-150 0,72 0,54 0,72
Alliages de zinc ZA8, ZA27, ZAMAC 3 80-100 0,30 0,20 0,40 Alliages de magnésium AZ31, AZ91 40-90 0,18 0,18 0,18
Alliages d'aluminium A 356 , 6061 30-80 0,28 0,18 0,36
Source: Boothroyd et al., Product Design for Manufacture & Assembly, Marcel Decker, New York, 1994
4-2-36MEC-780 – Concept ion pour la fabr icat ion et l ’assemblage - DFMA SYS-849: Techn iqu es avan cées d e mis e en form e: Usin age I SYS-849: Techn iqu es avan cées d e mis e en form e: Usin age I
Débits de coupe: ZW • Tournage: Z = V· f· d (mm3 /min)• Perçage: Z = (D2 Vf )/4 (mm3 /min)• Fraisage: Z = W·d·Vf (mm3 /min)
d : profondeur de coupe (mm)
• V: vitesse de coupe (m/min) = D N• f: Avance de l’outil (mm/tr, mm/dent) • Vf : vitesse d’avance (mm/min) = f N ou f N n t • N: vitesse de rotation (tr/min)• D: diamètre de l’outil (mm) • nt: nombre de dents de la fraise
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Usinage de moules: tout un défis
La fabrication des moules est une activité technologiquementdemandante du point de vue outils, machines et stratégie de coupeLes erreurs peuvent être très couteux.Objectifs: Vitesse; Précision et parfaites surfaces sans retouchescoûteuses.
Design:• Répondre à des critères de plus en plus sévères.
• Élaboré au moyen de systèmes CAO,• Programmes d'usinage issus de postes FAO• Formes arrondies de plus en plus demandées,• Précision de plus en plus grande.
29 mai 201439
Différences fondamentalesUsinage classique: enlever 10 à 15 % de matièrepour créer une pièce finie,Usinage de moules : retirer jusqu’à 80 ou90 % de la masse d’origine.Logiciel d’usinage de moulesdoit être bien adapté à l’enlèvement de matière:
en grande quantité,à grande vitesse,avec une grande précision.
Image - http://www.solidcam.com/fr/temoignages/applications-speciales/usinage-de-moules-et-de-matrices
• Grandes cavités;• Fabrication des électrodes et de surfaces 3D;• Des poches et des profils;• De nombreux trous de perçage.
Fabrication desmoules
Caractéristiques de l’usinage de moule
29 mai 2014ETS/VS/Atelier d'information40
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MOULES POUR INJECTION PLASTIQUE
Défis et stratégie:• Usiner avec un débit copeau maximal durant l’opération
d’ébauche• Obtenir une surface parfaite en un temps réduit en opérations
de finition.• Meilleurs outils (FAO, outils de coupe) et stratégies de coupe
Image, Usinage des moules et matrice Member IMC Ingersoll Cutting Tools - http://www.ingersoll-imc.de/fileadmin/user_upload/pdfs/en_fr/mould-die-production-fr.pdf
29 mai 2014ETS/VS/Atelier d'information 41
Repartition typique du tempsde cycle de fabrication de moules
29 mai 2014
L’usinage compte pour 65 % dutemps de fabrication et polissagedes moules ; Une bonne stratégie d’usinage
pourrait réduire les coûts et le temps de polissage
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
Conception/Design Programmation CNC Usinage
20%15%
65%
% t e m p s t o t a
l
Répartition temps de fabricatrion des moules
VSongmene- Alliance Monde 42
La finition et le polissage consommennt unetrès grande portion du temps de productiondes moules; L’usinage à 5-axes peutcompresser le temps de polissagemanuel.
Adapté de Tonshoff H.K. et al., New Approaches in Finishing-Polishing of Molds using NCBelt Grinding, Proc. Int. Conf. on Advanced Technology for Die and Mold Manufacturing,Colombus, Ohio, Oct 11/12, 1993
0%
20%
40%
60%
80%
100%
120%
Copy milling 3-axis NCmilling
5-axis NCmilling
Rework/polishing
Milling
Model/programming
Time compression72%
T i m e s h a r e
( % )
Polissage
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Configurer les parcours d’outil : • l’ébauche et la ré -ébauche avec les outils les plus
gros,• terminer avec un outil plus petit,• laisser au logiciel le soin de détecter
automatiquement la matière résiduelle.
L’usinage d’un moule complexe peutprendre des heures ou des jours
Priorité à la vitesse.
29 mai 2014ETS/VS/Atelier d'information 43
L'importance de l'Usinage à Grande Vitessepour les moules et les matrices
L‘UVG prend de l'importance dansl'usinage des moules et des matrices.
Peut être utilisée aussi bien enébauche qu' en finition
L'intelligence et la puissance de l'usinage 5 axes
continuentL'usinage 5 axes continus devient de plus en plus populaire• Réduction du temps de cycle,• Obtention de meilleur état de surface• Accroissement de la durée de vie des outils.
Image - http://www.solidcam.com/fr/temoignages/applications-speciales/usinage-de-moules-et-de-matrices
29 mai 2014ETS/VS/Atelier d'information44
8/17/2019 SYS849 4 Usinage Partie 2
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De nouveaux Forets pour l'usinage de mouleset matricesUsinage possible de trous profonds de haute précision des moules et matrices.Élimine la nécessité d'un traitement thermique.Un usinage stable peut être obtenu grâce à une géométrie unique de l'arête decoupe et une goujure à double listel.
29 mai 2014ETS/VS/Atelier d'information 45
Usinabilité des aciers à outils
29 mai 2014
Propriétésrecherchées
Influencesur les aciers
Influence sur l’usinabilité
Ténacité élévée Pureté del’alliage
Mauvaise segmentationdes copeaux,
copeaux longsRésistance àl’usure élévée
Beaucoupd’inclusions
Courte durée de vie des outils
Pas de necessitéde traitement deducricisssementsubséquent
Dureté élévéede l’acier
Courte durée de vie des outils
,Sandvik Coromant: Modern Metal Cutting, p. II-49
ETS/VS/Atelier d'information 46
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Usinabilité des aciers à outils/moules
29 mai 2014
Propriétés du matériaux quiaffectent l’usinabilité
Dureté et dureté de surfaceInclusions: quantité et typesTenacitéDureté à chaudÉcrouissabilitéRésistance (écoulement et mécanique)Homogénéité de la stuctureÉlementsd’alliage : types et quantitéTraitements thermiques
MicrostructureComposition chimique
Élements affectantnégativement l’usinabilité
Mn, Ni, Co,Co, Cr, V, Mo, Nb, WC > 0.60%C < 0.30 %
Éléments affectantpositivement l’usinabilité
Plomb
SoufrePhosphoreCarbone : C entre 0.3 et 0.6%
ETS/VS/Atelier d'information 47
De nouveaux outils (géométrie, revêtement) sont développés pour l'usinage des moules• Amélioration de la vie utile,• Évacuation des copeaux.• Permettre l’usinage de trous profonds
29 mai 201448
Les outils de coupepeuvent tout changer
Performance du foret MHS surun acier à moule (45HRC)
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29 mai 2014
Mieux utiliser les outils de coupe
Bonne
vitesse58%
Mauvaise
vitesse42%
Utilisation -vitesse recommandée
Vie complète
38%
Vie noncomplète
62%
Utilisation -vie utile de l'outil
Sondage fait par : Armagero, 1996 Aux états-Unis
Chacune de ces pratiques entraîne:- Perte de productivité- Perte de qualité- Durée de vie écourtée- Accroissement des coûts de fabrication.- Entreprises moins compétitives- Non respect des délais
VSongmene- Alliance Monde 2014: Optimisation de l'usinage 49
Les conditions d’usinage recommandées par lesmanufacturier des outils sont des valeurs de départ à partirdesquelles l’optimisation doit se faire
Facteurs de performanced’usinage affectés par l’usinabilité $$$ (coûts, productivité,compétitivité, profitabilité,etc..)
Vie utile des outilsProductivitéQualité des piècesGestion des copeauxGestion des huilesEnergie
Economical speed Max. productivity speed
C o s
t p e r p i e c e , $
P r o
d u c t i v
i t y :
P i e c e s /
h o u r
C u t t i n g c o s t
Cutting speed
Non-cutting cost
T o o l
c o s t
Total machining cost
P r o d u c t i v
i t y
V min V maxVmin et Vmax dépendent de l’usinabilité et des coefficients de la loi de Taylor
29 mai 2014ETS/VS/Atelier d'information50
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Ex. Usinabilité des aciers à moulesP-20 (34 Rc)
TH-100 (33 Rc)
NAK 80 (40 Rc)
KAPSTAR (40 Rc)
Tool life-cutting speed coefficients Exponent “n” 0.53 0.424 0.625 0.31Constant “C” 2806 1283 2338 854.6
Costs dataK : labour rate ($/hr) 50 50 50 50Tool indexing time (min)
3 3 3 3
Tool cost ($/edge) 7 7 7 7Optimal speeds
M in. speed (sfm) 823 401 703 314
M ax. speed (sfm) 1671 707 1619 474
Unit machining costs ($/in3/edge)Based on economical speed
1.82 3.14 2.59 3.47
Based on m ax speed 2.04 3.54 2.86 3.89
Based on an arbitr ary speed of 700 sfm
1.88 3.52 2.59 6.33
Machining cos ts for 100 mou lds requir ing the removal of 1 cubic feet of metal on each
Speeds
Econ omical speed 314 k$ 543 k$ 448 k$ 600 k$Max pr oductivity 352 k$ 612 k$ 495 k$ 673 k$ Selected speed of 7 00 sfm 325 k$ 608 k$ 448 k$ 1 093 k$
Usinage de aciers à moules
Outils en carbures revêtusde TiN
cteC VT n Loi de Taylor
29 mai 2014ETS/VS/Atelier d'information 51
Usinabilité: Acier à moule P20
Songmene v., 2000, Machining conditions optimization seminar, IRDI,
29 mai 2014ETS/VS/Atelier d'information52
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Étude de cas: Kientzy (2008)
Kientzy G., Étude comparative de l’usinage à sec et lubrifié des aciersà moules : Usinabilité et coûts , Mémoire M. Ing, ETS, Montréal, Canada,Juillet 2008.
Jury: V. Songmene, A. Tahan , H. LeHuy (Sorel Forge)
Procédés étudiés : Fraisage et perçageIndices d’usinabilité
Usure et vie utile des outils de coupeEfforts de coupeForme des copeaux
Fini de surface des piècesParamètres variésVitesse de coupeMode de lubrification.Matériaux: Aciers à outils (300 HB, 341 HB et 352 HB)
29 mai 2014ETS/VS/Atelier d'information 53
Matériaux étudiés
29 mai 2014ETS/VS/Atelier d'information54
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Kientzy: Efforts de coupe
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Kientzy: Efforts de coupe
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Kientzy: Usure des outils
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Kientzy: Vie utile des outils
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Kientzy: Modèles de Taylor
Les paramètres de Taylor sont sensibles aux matériaux;Les conditions de coupe modifient les paramètres de Taylor:Optimisation difficiles sans essais
29 mai 2014ETS/VS/Atelier d'information 59
Aux hautes vitesses de coupe, le fluide devient inéficace, les differencesentre les aciers s’amenuisent et la vie des outils devient courte
29 mai 2014ETS/VS/Atelier d'information60
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Kientzy: Fini de surface
29 mai 2014ETS/VS/Atelier d'information
La lu brification améliore le fini et devrait donc réduire le temps de polissage des moules 61
Kientzy:Les coûts d’usinage varient avec:
Les matériaux
Le mode delubrification;
La vitesse utiliséeLa non utilisation de fluidede coupe génère des gains
pouvant atteindre 20% ducoût d’usinage pour desvitesses de coupe de l’ordre de 200 m/min, pour SF5 etSF2312
29 mai 2014ETS/VS/Atelier d'information62
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Amélioration de l’usinage
Lubrification: OUI ou NONAmélioration de la qualité de production
Amélioratin des aspects de santé et desécurité
29 mai 2014ETS/VS/Atelier d'information 65
Rôle du fluide de coupe
Refroidir la pièce et l’outil
Lubrifier l’interface outil -copeauL’huile
L’eau
Fluide à base d’eau Fluide à base d’huile
4. Amélioration de la qualité de productionb) Usinage à lubrification minimale (MQL)
Marek Balazinski, Cours fabrication mécanique avancée, École Polytechnique
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Processus d'usinage: sec ou lubrifié
• Évacuation des copeaux• Durée de vie• Productivité • Forces de coupe
• Qualité des pièces• Coûts d'usinage
Qu' en est-i l ?
Problèmes liés avec l’utilisationabondante de fluide de coupe
Coûts: le coût du fluide de coupereprésente jusqu’à 16 % du coût total
d’une pièce (seulement 4 % pour le
coût des outils de coupe).
Pollution: responsable d’unebonne partie de la pollutionindustrielle, pollution de l’air (coûtsde traitement des déchets)
Utilisation restreinte par des loissévères (surtout en Europe)
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Solutions L’usinage à sec Lubrification de précision (lubrification sous pression directement dans la zone de coupe ) Lubrification minimale (LM). Minimum Quantity Lubrication (MQL)
Sorti e du flui de 1
Sorti e du flu ide 2
Marek Balazinski, Cours fabrication mécanique avancée, École Polytechnique
Risques de l’utilisationdu liquide de
refroidissement
Sans danger
Respectueux del'environnement
Longue dur é e devie
É fficacit é de la production
Dioxine (liquide derefroidissementcontient le chlore)
Pollution
co û t é lev é
Feu (liquide derefroidissement à base d'huile)
MQL
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Les avantages et les désavantages de la lubrification minimale
Avantages :performances de la lubrification minimale sont similaires à la lubrificationabondante ;lubrification minimale assure de meilleures performances que l’usinage à sec ; moins de dommages environnementaux– moins de fluide employé ;réduction des coûts comparé à la lubrification abondante ;
Inconvénients :nombres limités d’applications et de données de production ; peu de recherches scientifiques ;problème d’évacuation du copeau ; émanation de poussières nanométriques ;
À Sec MQL Lubrifié
Brut Achat lubrifiant Traitement Application Nettoyage Décontamination
Application de lubrification minimale
Marek Balazinski, Cours fabricat ion mécanique avancée, École Polytech nique
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K. Weinert et al. (2004)
MQLUsinageconventionnel
Principe du système MQL
Contrôle et gestion des copeaux
K. Weinert et al. (2004)
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K. Weinert et al. (2004)
Contrôle et gestion des copeaux
Le secret de son efficacité est sa capacité à concentrerl’action du liquide cryogénique dans la plaquette de coupe.
(Image) Machines Production 921 du 08/04/11, page 47. Copyright SOFETEC 2011 - 2012
VIDEO
4. Amélioration de la qualité de productionc) Usinage cryogénique
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procédé de réfrigération del’usinage
Augm enter les vi tesses deco up e, don c la p rod uct ivit é,
Prolonger la vie des outi ls .
Met en œuvre un liquide à base
d’azote qui abaisse fortement
(jusqu’à -200 °C) la température
de l’arrête de coupe de l’outil
Usinagecryogénique
Intérêts
Filtrat ion,
Élimination des b oues,
Essorage des copeaux
Co ûts liés à la c on so m m ati ondes pom pes hydrau l iques ,
Manutention et le transport deslubrif iants
L'u sin age cr yog éniq ue dev ient
enco re plus c om pétiti f lors qu e l'on
co ns id ère les co ûts
en vi ro nn em en tau x li és à la
lubrif icat ion tradit ionnelle.
Coûtséliminés
Inconvénien t : Coûteux et set-up compliqué
Avantages de l’usinage cryogénique
Usinage Écologique comparé à l’usinage conventionnelle
• Amélioration de la durée de vie de l’outil (moins de sollicitationthermique)
• Amélioration de l’état de surface
• Réduction des effort de coupe grâce à la fragilité engendrée parrefroidissement
• Forme de copeau amélioré
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Images AFM de particules lors de l'usinage
Vitesse : 200 m/min
Zones typiques de production de particules
Djebara et al., ETS, 2012
6. Contrôle des émissions de particules en usinage
Image MEB du copeau montrant des particules émisesde la zone segmentée de copeau (Djebara, 2012)
29 mai 2014ETS/VS/Atelier d'information stratégique, 1er mai 201380
Djebara et al., ETS, 2012
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Forme des particules
29 mai 201481
R. Kamguem, A, Djebara et V. Songmene, Advanced Manufacturing Technology, 2013
29 mai 2014ETS/VS/Atelier d'information82
Equipement de contrôle des nanoparticules enusinage
Particlesof 100 nm:1000 p/cm 3
Qualité de l’air – lab d’usinage -ETS
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l’influence de la vitesse et de l’avance sur les émissions de NPspour l’alliage Al6061-T6 (Khettabi et al. 2010a).
29 mai 2014ETS/VS/Atelier d'information 850 50 100 150 200 250 300
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5x 10-5
Cutting speed (m/min)
D u s t
U n
i t D
u
Al 6061-T6
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
Feed (mm/rev)Rake angle: -7o
Émission de particules en usinage haute vitesse
Fraisage grande vitesse de l'aluminium 6061-T6
Réduction des particules en utilisant des vitesses élevées,ce qui améliore également la productivité
Zaghbani, Songmene et al., 2009
Dust
Chip
m Du
m
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Influence de la dureté des matériaux coupés
0
0.05
0.1
0.15
0.2
40 60 80 100 120 140
Dureté HRB
C o n c e n
t r a t
i o n
( m g
/ m 3 )
2 00 m/min 1 00 m/min
A319
6061-75HB
6061-95HB
6061-125HB
Aluminium alloys: 6061 & A319
Significant influence
Copper alloys:C661; C694, C360 & C642
No influence
Particules métalliques ( aérosols )
Effet de l'angle de coupe (rake angle) sur la tailledes particules
Material : 1018 steelSpeed: 200 m/minFeed: 0.002 in/revRake angle: + 7 °
Material : 1018 steelSpeed: 200 m/minFeed: 0.002 in/revRake angle: - 7 °
La plupart des particulesgénérées par les procédésd'usinage sont submicroniqueou des nanoparticules
5 -10 milliers particules/cm3 pour des particules de 20 nm
Material : 1018 steelSpeed: 200 m/minFeed: 0.002 in/revRake angle: - 7 °
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Effet de lubrifiant: cas des nanoparticules:10 nm à 1 mm
Fr ais ag e à se c6061-T6Speed: 300 m/minFeed : 0.125 mm
Fraisage lubrifié 6061-T6
Speed: 300 m/minFeed: 0.125 mm
Usinage lubrifié produit plus denanoparticules (20 - 700 nm)que l'usinage à sec, qui produit10 fois moins et leur tailles vontde 700 nm à 300 nm.
Cela confirme Sutherland et al.(2000): usinage lubrifié génère
plus des aérosols et les particules fines en suspensionque l'usinage à sec
Réduction des particules à l'aide des stratégies d’usinage à grande vitesse
12
8
1,2510,4
Aluminium (6061-T6) Aluminium (A356) Brass(70/30)Matériaux usinés
D u s
t e m
i s s
i o n
( m g
/ m 3 )
Approche traditionnelle - vitesse constante
Nouvelle approche - vitesse variable
91%95%
96%
Opération: PerçageDiamètre du forêt: 10 mmFluide de coupe : Non
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Influence de l’usure des outils
29 mai 2014ETS/VS/Atelier d'information 91
Figure 2 – Influence del’état de l’outil et des matériaux de la pièce sur les émissions de microparticules (P2.5)lors du perçage (Songmene et al., 2008).
Réduction des particules par un pré-refroidissement de la pièce
0
5
10
15
20
-60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30
Temperature (°C)
A v e r a g e c o n c e n
t r a t
i o n
( m g
/ m 3 )
Cutting speed : 188.4 m/minCutting depth : 12 mmFeed : 0.22 mm/rev
A356
6061-T6
0
5
10
15
20
6061-T6 A356 AZ91E Brass
Alloys
A v e r a g e c o n c e n
t r a t
i o n
( m g / m
3
22 °C
- 40 °C
93 %80 %70 %
Cutting speed: 184 m/minFeed : 0. 22 mm /revCutting depth: 12 mm
94 %
Le pré-refroidissement de la
pièce réduit l'émission des
particules de 70%
Copeau fragile
Copeau ductile
Source:Balout et al., 2007
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Cas spécifiques des nanoparticules:Choix de la métrique
29 mai 2014ETS/VS/Atelier d'information 93
Distribution ensurface spécifique (B =10 -9 )
Distribution en nombre (M = 10 6 )
Distribution en masse
direction prise par les particules émises lors derainurage (750 m/min, 0.165 mm/tr, diamètre d'outilde 19 mm)
29 mai 2014ETS/VS/Atelier d'information94
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Facteurs déterminants les émissions deNPs
29 mai 201495
Pareto des effets standardisés
Diagrammes de Pareto des effets des facteursd’usinage sur les émissions de particules ( Djebara ,.2012) : concentration en nombre
Influence des procédés et des matériaux
29 mai 201496
0%
20%
40%
60%
80%
100%
120%
Concentration enNombre
Concentration enMasse
Surfacespécifique
20 24 -T 35 1 6 06 1- T6 7 07 5- T6
C o m p a r a
i s o n r e
l a t i v e
d e s
c o n c e n
t r a
t i o n s
d e p a r t
i c u
l e s
l’influence des matériaux sur les émissions de NPslors du fraisage des alliages d’aluminium parrapport à l’alliage 2024 -T351.
Comparaison des émissions de différentsprocédés en se servant du Dust Unit(Eq. 2); Khettabi et al. (2011).
8/17/2019 SYS849 4 Usinage Partie 2
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Remarques
Usinage à sec produit des particules métalliques: fines et ultrafines (aussi bas que20 nm).
L'usinage à sec et l’utilisation de certains paramètres conduisent à unchangement de la taille et de la concentration des particules.
Des travaux expérimentaux montrent qu'il est possible de réduire les émissionsde particules fines, sans effets négatifs sur la productivité et la qualité despièces:
Usinage avec des vitesses de coupe plus élevées ou début de l'usinage avec une vitesse decoupe basse et augmente lorsque l'outil est complètement engagé dans la pièce usinée.Sélection de la géométrie appropriée de l'outil et des paramètres d'usinageEn utilisant des procédés de pré-refroidissement de la pièce à usiner ou refroidir le copeau demanière à le fragiliser
L'étude sur les émissions de nanoparticules est à ses débuts et nécessite:Une procédure standard pour l'évaluation et la caractérisationLe développement de stratégies de contrôle et de réductionUn effort de collaboration de chercheurs multidisciplinaires
Effets de la vitesse et de l’avance sur le fini
29 mai 201498R. Kamguem, A, Djebara et V. Songmene, Advanced Manufacturing Technology, 2013
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Effets de la vitesse et de l’avance sur lesémissions des particules
29 mai 201499
N o m
b r e
M a s s e e t s u r f c a e s p e c
i f i q u e s
R. Kamguem, A, Djebara et V. Songmene, Advanced Manufacturing Technology, 2013
29 mai 2014100
Optimiser à lafois:
- Fini desurface
&
- Émissions departicules
R. Kamguem, A, Djebara et V. Songmene, Advanced Manufacturing Technology, 2013
8/17/2019 SYS849 4 Usinage Partie 2
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29 mai 2014ETS/VS/Atelier d'information 101
Fabrication durable et environnement-ÉTS
Développement des outils de contrôle et deprédiction des émissions;Développement des stratégies de réductionà la source des nanoparticules;Étude des efficacités des équipements deprotection contre les nanoparticules;Développement d’équipement de captation;Développement d’outils de modélisation et de simulation du comportement des nanoparticules
Protection de la qualité de l’air
Nanotoxicologie: Protection dela santé des travailleursOptimisation de la fabrication pourla rendre propre et concurrentielle
Projets visant le contrôle & la réduction des émissions de nanoparticules lors de lafabrication et la mise en forme d’alliages/matériaux exotiques