Usinage cinq axes

MACHINES-OUTILS
Usinage
cinq axes :
ses verrous
technologiques
Une journée technique tenue en novembre dernier a marqué
une étape importante dans le développement des deux pôles
de compétences récemment créés à l’ENSAM de Cluny dans le
domaine de l’usinage. Cet article attire l’attention sur les
travaux qu’ils mènent en donnant quelques exemples
concrets précieux pour de futurs usineurs en cinq axes.
- Cette vue
d’écran stylise
ce que la
programmation,
en exploitant
des logiciels
appropriés,
comme le cas
a été largement
démontré lors
de la journée
technique tenue
à l’E NSAM de
Cluny en
novembre
dernier, apporte
en matière de
simplification
et de fiabilité
avec une
visualisation
claire du
positionnement
de l’outil
selon les détails
à usiner.
Cet article a été rédigé
d’après un rapport de:
Bertrand Coulon,
Gérard Poulachon
Michel Dessoly
Jean-Philippe Costes
tous Responsables
d’équipes
à l’E NSAM de Cluny
Le premier consortium créé par l’E NSAM de
Cluny il y a trois ans, le COMOP, a été mis en
place pour permettre de traiter des problèmes
globaux venant de l’industrie et principalement
relatifs aux problèmatiques de coupe. Ce groupement est constitué d’universitaires et d’industriels apportant chacun des compétences
spécifiques. Ce sont, respectivement, le Centre Technique de l’Horlogerie (CETEHOR ), Bagur
Consulting, Tivoly, Total et l’ENSAM . La complémentarité de chacun de ces partenaires permet de traiter des sujets d’envergure pouvant
prendre en compte des problèmes de lubrification, d’outils de coupe, de micro-usinage et
de mesures des grandeurs de la coupe tels
que efforts, puissance, vibration, température,
etc. Plus récemment, et sous l’impulsion de l’industriel local AMG , un second consortium dénommé MAXIMA (pour Multi AXIs MAchining) a
vu le jour. Lancé plus officiellement lors de cette journée technique, il réunit plusieurs compétences complémentaires dans le domaine de
l’usinage cinq axes continus pour lequel les industriels montrent un intérêt croissant aujourd’hui. Actuellement MAXIMA est composé d’universitaires avec IFMA et ENSAM, ainsi que d’industriels avec OPENMIND, éditeur de FAO , et AMG
Atelier de Mécanique Gasne, plus un partenaire machine-outil qui est attendu. Le contrôle
des pièces cinq axes sera également pris en
compte pour couvrir l’intégralité de la chaîne
cinq axes. La journée technique organisée en
novembre dernier a, ainsi, permis de se faire
rencontrer les spécialistes des mondes industriel et académique dans le domaine complexe
de l’usinage cinq axes continus.
Conférences et débats sur
la technologie usinage cinq axes
Tout le long de cette journée des conférences et des démonstrations se sont alternées.
Les conférences au nombre de six étaient:
1)“De la modélisation à l’usinage cinq axes
d’un impeller” par Gérard Poulachon de l’ENSAM de Cluny, 2)“F AO et cinq axes: Pourquoi!
Comment! Avantages et inconvénients” par Eric
Rougemont d'Openmind, 3)“L’usinage cinq axes
de la théorie à la pratique: les dernières avancées des commandes numériques” par JeanPierre Le Faucheux de S IEMENS, 4)Passage du
24 - Décembre 2004 - TRAMETAL
trois au cinq axes, avantages et difficultés attendues” par Emmanuel Duc de l’IFMA, 5)“Conception et évaluation des machines-outils. Application aux structures cinq axes” par André
Greffioz d’E LPS, 6)“Problématique de l’usinage des veines hydrauliques – Division Moteurs
fusées” par Christian Geffroy de la S NECMA
Moteurs Vernont.
L’ensemble de ces présentations a suscité
des débats de spécialistes passionnés et a
montré aux industriels soucieux de mettre en
application cette technologie les démarches à
suivre. Effectivement, investir dans la chaîne
cinq axes nécessite de nombreuses compétences afin d’en maîtriser tous les maillons.
Maîtrise de l’usinage cinq axes
Le premier maillon des compétences pour
maîtrise l’usinage cinq axes est relatif au choix
du logiciel de CAO et, surtout, à la façon de modéliser les pièces afin qu’elles puissent être
usinées correctement par la suite. Les conférences ont très bien fait ressortir ce point de
vue. Le second maillon concerne le logiciel de
FAO qui sera utilisé et sa technicité, telle que la
gestion des collisions, les trajectoires spécifiques telles que trochoïdale, trèflage… ou les
interférences. Ensuite, dans la chaîne arrive le
post-processeur destiné à traduire le langage APT
en langage ISO compréhensible par la machine.
Le choix de la machine-outil est aussi une
décision difficile à prendre et dépend notamment des types de pièces qui seront usinés. De
nombreuses configurations existent et il n’est
pas toujours aisé de faire son choix. Dans ce
cadre, le consortium MAXIMA réalisera un important travail devant permettre de définir spécifiquement le cahier des charges d’une machineoutil cinq axes répondant à une problématique
d’usinage de pièce.
Le choix de la commande numérique va de
pair avec celui de la machine. M. Le Faucheux,
de Siemens, l’a bien démontré durant sa présentation, l’idée actuelle étant de transférer le
maximum de compétences de la FAO vers le directeur de commande.
On n’oubliera pas, non plus, que la coupe
est un maillon très important de la chaîne cinq
axes. Une thèse est actuellement en cours au
MACHINES-OUTILS
sein de ce laboratoire pour étudier les problèmes de vibrations de fan (ailette en titane) monté sur les moteurs
d'avion pour SNECMA .
Et, finalement, le dernier maillon est celui du contrôle
où les machines de mesure tridimensionnelle doivent
être adaptées en couvrant aussi cinq axes pour le contrôle final de ces pièces complexes. Il existe, également,
d’autres moyens modernes pour le contrôle de pièces
usinées en cinq axes continus comme la photogrammétrie et le contrôle optique ou laser. L’ingénierie inverse
qui permet de recomposer une CAO à partir d’une pièce
existante est aussi une application cinq axes pouvant
débuter à partir de la machine à mesurer. Le contrôle est
nécessaire en amont pour obtenir des données d’entrées à fournir à la même chaîne.
Démonstrations pratiques
En parallèle des démonstrations de qualité ont été
préparées afin de montrer les capacités et les possibilités de l’usinage en cinq axes simultanés. L’équipe du laboratoire d’usinage de l’ENSAM de Cluny avait demandé
à des constructeurs de mettre à disposition leur machine
afin de montrer leur savoir-faire.
✔ Ainsi, la société Mazak a-t-elle fait la démonstration de l’usinage d’un corps de fraise sur un centre de
tournage Integrex, ce qui a pu mettre en évidence les
possibilités illimitées des machines multifonctions, permettant des réductions considérables de temps de cycle
pour l'usinage dans la masse de pièces. Tournage, fraisage, contournage par l'axe C, usinage excentré par
l'axe Y, fraisage des surfaces angulaires par l'axe B, rectification, etc. sont autant de possibilités disponibles sur
ces machines-outils multi-tâches.
✔ La présence d’ Openmind a permis d’expliquer
l’intérêt des solutions cinq axes en FAO , les méthodes
disponibles et les conséquences sur les moyens de production et les produits finis. Pour illustrer cela Openmind
a participé à la programmation des démonstrations sur
machines-outils (fig. de tête) dont on retiendra, dans le
cadre de cet article, trois exemples.
✔ L’usinage d’une prothèse médicale avec recherche de vitesse d’une coupe constante tout en satisfaisant les contraintes dynamiques de la machine outil a fait
l’objet d’une démonstration sur un centre d’usinage WilleFig. 2 - Visualisation de la préparation de l’usinage en cinq
axes d’une empreinte de pneumatique réalisée par Openmind (voir aussi les détails sur les figures 3 et 4).
26 - Décembre 2004 - TRA METAL
MACHINES-OUTILS
Fig. 3 et 4 - Détails agrandis de la visualisation de l’usinage de l’empreinte d’un pneumatique illustrée figure 2.
min-Macodel. Le niveau de qualité exigé oblige de calculer les trajectoires outils sur la mathématique même des
surfaces par des stratégies d’usinage de type ISO-paramétrique. Mais, les variations de courbures excluent de
calculer les directions outils directement à partir de la normale aux surfaces. La méthode proposée a permis de
satisfaire les contraintes de précision géométriques et d’aspect de la pièce en maîtrisant la cinématique de la machine.
✔ Un outillage représentant une empreinte de pneumatique peut s’avérer particulièrement complexe et fastidieux en temps de préparation. Sur un centre d’usinage
HSM400U, Mikron a démontré que l’usinage en cinq axes
simultanés réduit notoirement le nombre d’opérations et les
reprises en positionnements multiples. Incliner dynamiquement l’outil en fonction de l’analyse des collisions (fig. 2,
3 et 4) permet d’optimiser les moyens de fabrication et de
diminuer dans de très grandes proportions les temps de
programmation.
✔ Une application spéciale pour l’usinage de veine
hydraulique où, sans une solution cinq axes simultanés il
n’est pas envisageable de traiter la pièce par enlèvement
de matière a fait l’objet d’une présentation très intéressante sur une machine Alcera-Gambin
120CR. La pièce en question (fig. 5 et 6) se monte
sur le moteur Vulcain de la fusée Ariane
(Snecma).
✔ En horlogerie-bijouterie, Avec le
CETEHOR on a pu comprendre combien
l’usinage cinq axes se révèle être d’un
grand intérêt dans la réalisation de prototypes et/ou de petites séries. La méthode habituelle d’obtention des pièces par le proFig. 5/6 - Exemple d’usinage cinq axes simultanés
d’une veine hydraulique pour la pièce ci-dessus.
TRA METAL - Décembre 2004 - 27
Des exposants outils coupants ont également participé à cette
journée afin de proposer des outils spécifiques utilisés dans cette
technologie cinq axes. Etaient ainsi présents Sandvik, Prototyp et
Technicarbure. La société Erowa, de son côté, a présenté ses systèmes de mise en position de précision. La société Actarus, quant
à elle, a présenté des moyens de mesure de température en tournage et aussi en fraisage.
Afin de montrer les compétences de ces pôles et, notamment,
celles du laboratoire d’usinage de l’E NSAM Cluny, les équipes organisent régulièrement de telles journées techniques afin de démontrer leur potentiel dans le domaine de la coupe des métaux et de
l’usinage complexe qui sont deux points de vue très différents. On
peut très bien savoir faire de la coupe mais ne
pas savoir usiner! Et, le contraire est aussi vrai.
Quelques éléments sur l’ENSAM de Cluny
Le Laboratoire d’usinage de l’ENSAM/S ERAM
de Cluny a pour vocation d’assurer trois missions importantes dans le domaine de la fabrication mécanique par enlève-ment de matière,
1)Enseignement auprès des élèves ingénieurs, 2)Recherche appliquée sur la coupe
des métaux, 3)Transfert de technologie
auprès des industriels. Ces trois missions sont
Doc. CETEHOR
En bas,
de gauche
à droite:
Fig. 10 - Aspect
du produit fini.
Fig. 11 - Vue de
la bague usinée.
Fig. 12 Logements pour
les brillants.
28 - Décembre 2004 - TRA METAL
Doc. CETEHOR
Doc. CETEHOR
assurées par une équipe de quinze personnes.
Au niveau recherche, actuellement cinq doctorants sont en cours de travaux avec des partenaires industriels reconnus sur des thématiques
très pointues telles que 1)Taraudage par déformation (P SA-Prototyp), 2)Modélisation des efforts de coupe en fraisage sur géométrie complexe (C EA-Prototyp), 3)Comportement vibratoire d’un aubage en usinage cinq axes (SNECMA ), 4)Usinage à sec d'un châssis de Bulldozer (C ATERPILLAR), 5)Impact des vibrations lors
du tournage de superfinition (C EA-C IRTES). Les
sujets de recherche traités doivent déboucher
sur des applications qui seront industrialisées
dans le but d’accroître les taux de productivité,
de diminuer les coûts de fabrication et de tenir
compte des impacts sur l’environnement.
Le transfert de ces travaux de recherche
vers le monde industriel s’effectue grâce à
deux cellules de transfert de technologie dirigées par Bertrand Coulon. C’est une équipe
de trois ingénieurs dont le rôle est de traiter les
problèmes industriels liés à la coupe des métaux. Une des grandes spécialités du laboratoire concerne la mise en œuvre des matériaux
à usinabilité difficile tels que les alliages
réfractaires à base titane ( TA6V, Ti17), base cobalt, base nickel (Inconel 718, Haynes 230, Nimonic, Incoloy, Whaspalloy) ou bien les aciers
prétraités et traités.
En conclusion
Cette journée a permis de regrouper cent
soixante personnes dont soixante-dix pour cent
d’industriels. Pour l’équipe d’usinage, la recherche universitaire dans le domaine de la fabrication mécanique va de pair avec le développement et l’application industrielle. Les deux
secteurs devant œuvrer ensemble. Les échanges fructueux établis lors de cette journée ont
déjà eu des répercussions et de nouveaux projets sont sur le point d’être débutés.
❑
( www.trametal.com Code: YYT62)
Doc. CETEHOR
cédé de fusion à cire perdue est long et requiert un savoir-faire important. L’usinage en
cinq axes à partir de barre ou de tube (fig. 7)
est donc une autre alternative amenant un certain nombre d’avantages supplémentaires comme la précision, la rigueur du projet ou la répétitivité du produit (fig. 8). De même, les préparations avancées pour le sertissage, qui nécessitent par une fabrication conventionnelle de
longues interventions manuelles, sont fortement optimisées grâce à l’usinage cinq axes
(fig. 9) qui garantit des logements et des griffes de grande qualité
dimensionnelle permettant un clipsage et un ajustage des brillants
et pierres précieuses améliorés et réguliers (fig. 10). La démonstration de l’usinage d’une bague (fig. 11) sur un centre d’usinage
W408B de la société Willemin Macodel est donc une solution intéressante et d’avenir pour la profession.
Doc. CETEHOR
Doc. CETEHOR
MACHINES-OUTILS
De gauche
à droite:
Fig. 7 - Usinage
dans la barre
(ou tube).
Fig 8 - Finition
de la forme.
Fig. 9 - Usinage
des préparations
de sertissage.