L'Usinage à Grande Vitesse: principes, conséquences sur la conception des pièces

Cette ressource est réalisée par Jean-Baptiste Vidal (professeur agrégé).

Introduction


L'objet de cette resource est l'usinage à grande vitesse de coupe appelé UGV et plus particulièrement les critères spécifiques à ce procédé à prendre en compte dans la définition du produit.

Après une présentation rapide des principales caractéristiques de l'UGV et des moyens associés, les critères de caractérisation du produit seront développés.

I. Caractéristiques de l'UGV

L'Usinage Grande Vitesse est une opération d'enlévement de matière à des vitesses de coupe élevées. Ces grandes vitesses engendrent un phénomène de coupe spécifique.

1. Vitesse de Coupe

Il est aujourd'hui possible d'usiner des pièces mécaniques sur de larges plages de vitesses de coupe. Selon le matériau utilisé, ces plages varient, mais il est toujours possible de distinguer trois zones de vitesses de coupe distinctes:
- une zone de vitesse correspondant aux vitesses de coupe de l'"Usinage Conventionnel"
- une zone de vitesses de coupe inexploitable (conditions de coupe dégradées)
- une zone de vitesses de coupe correspondant à "l'Usinage Grande Vitesse"

Par exemple, lors d'usinage d'acier à des vitesses de coupe de 30 à 200 m/min, on parle d'usinage conventionnel , alors que des vitesses de coupe de 500 à 2000 m/min correspondent au domaine de l'UGV.

Figure 1: Plages de vitesses de coupe pour différents matériaux

En augmentant Vc au delà des limites de vitesse de l'usinage conventionnel, on commence par traverser une zone de vitesses inexploitables appelée « Vallée de la mort » dans laquelle les conditions de coupe sont dégradées (usure rapide de l’outil, mauvais état de surface...), puis on arrive dans le domaine de l’UGV où les conditions de coupe sont excellentes. La limite entre les zones est arbitraire.

La plage de vitesses de coupe caractéristique de l'UGV dépend également de l’opération effectuée (Fraisage, Tournage…).

 

2. Phénomènes de coupe

Les bons résultats de l'UGV s'expliquent par les phénomènes de formation du copeau.

Discontinuité du copeau


L'image ci-dessous montre le résultat d'un test courant appelé "Quick Stop Test" (la pointe de l'outil est retirée brutalement par un système explosif), qui permet d'étudier un copeau en cours de formation pour trois vitesses de coupe différentes.

Figure 2: Evolution des copeaux suivant la vitesse de coupe (A: copeau continu B; copeau segmenté C: copeau dentelé)

Pour les métaux, le processus de formation du copeau est principalement basé sur des déformations plastiques. En faible vitesse de coupe, le copeau est continu, et les déformations plastiques dans les zones de cisaillement sont quasi-stationnaires (Copeau A et figure 4 ci-dessous).

Figure 3: Formation du copeau en usinage Conventionnel

Avec de hautes vitesses de coupe, le copeau est dentelé et formé d'éléments séparés (C) , ce qui semble être généré par une rupture du matériau plus que par un cisaillement. En UGV, des fragments de copeaux se détachent par la propagation de fissures, comme l'illustrent les figures ci-dessous.

 

Figure 4: Représentation schématique de la formation d'une lamelle de copeau

Figure 5: Détail de la formation du copeau en UGV

Phénomènes thermiques

Les sollicitations thermiques sont générées lors de la coupe par l'auto-échauffement au sein du matériau de la pièce et par les frottements à l'interface outil/pièce.

En usinage conventionnel, l'énergie calorifique s'évacue dans les copeaux mais également dans la pièce et l'outil dans des proportions non négligeables. Ainsi, le matériau subit un traitement thermique local (trempe superficielle) qui modifie les caractéristiques de la pièce finie.

En UGV, la nature de la formation du copeau est différente et l'énergie de la coupe s'évacue à plus de 80% dans les copeaux. Bien que des énergies plus importantes soient mises en jeu, les échanges thermiques entre le copeau et la pièce n'ont plus le temps d'avoir lieu: celle-ci reste pratiquement à température ambiante.

Cette dissipation de l'énergie de coupe a une influence sur la température de l'outil. Une simulation thermique de la coupe montre la formation d'un point chaud en Usinage Conventionnel et en UGV situé à la pointe de l'outil.
La température de ce point varie de 500°C en Usinage Conventionnel à 1000 °C en UGV. La localisation du point chaud à la pointe de l'outil permet de faciliter la coupe pour les matériaux ductiles car le matériau usiné a tendance à se ramollir à son contact.

Il est possible d'observer sur la figure ci-dessous la carte thermique d'un outil pour différentes vitesses de coupe (100m/min en haut à droite, 500m/min en bas à droite). La localisation du point chaud pour des conditions de coupe correspondant à l'UGV sont indiquées.

Figure 6: Carte thermique d'un outil pour différentes vitesses de coupe

Efforts de coupe

Les efforts de coupe sont à l'origine des déformations plastiques et donc des élévations de température qui se produisent au cours de la coupe. Pour toutes autres conditions de coupe égales, l'augmentation de la vitesse de coupe ne s'accompagne pas d'une variation notable des efforts de coupe (10% de baisse environ), alors que l'augmentation de la vitesse d'avance entraîne une augmentation de la valeur de l'effort tangentiel (relation linéaire: l'effort double environ quand la vitesse d'avance double).

Figure 7: Efforts de coupe (N/mm de profondeur de passe) fonction de l'avance et de la vitesse de coupe

La puissance des broches des machines UGV a des limites: l'augmentation des vitesses de rotation de la broche impose une réduction des efforts de coupe pour ne pas changer de gamme de puissance. Les stratégies privilégiées pour augmenter le débit copeau sont donc d'associer des profondeurs de passe plus faibles (pour diminuer les efforts) avec des vitesses d'avance élevées (pour augmenter le débit copeaux). Sous certaines conditions, le débit copeaux est augmenté avec une réduction nette des efforts de coupe .

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2. Les moyens

Les phénomènes spécifiques qui apparaissent en UGV et les niveaux atteints tant en vitesse angulaire de la broche qu'en niveaux d'accélération imposent l'utilisation de moyens spécialement dédiés pour l'UGV. Les éléments qui seront étudiés sont:
- la machine-outil (bâti, cinématique)
- la broche
- les porte-outils et les outils
- les porte-pièces
- la commande, et l'environnement.

Figure 8: Machine UGC 4 axes dans un environnement scolaire

 

2.1- Machine Outil

Figure 9: Machine à structure transversale

La cinématique

Les déplacements des éléments mobiles de la machine doivent permettre de grandes vitesses et accélérations. Pour réduire les temps d'usinage, des stratégies avec peu de variations de vitesses sont privilégiées . Traditionnellement, des systèmes vis à billes assurent la mise en mouvement des éléments mobiles. Les nouvelles générations de vis à billes donnent des vitesses de près de 60m/min. Toutefois, l’introduction de moteurs linéaires a permis de coupler des accélérations de 2 à 3g avec des vitesses de près de 90 m/min.

Figure 10: Glissière actionnée par des moteurs linéaires

Dans ces conditions il est nécessaire d'avoir des parties mobiles relativement légères afin de minimiser les effets d’inertie. Ces éléments mobiles ne sont donc pas capables de supporter des efforts aussi importants que certaines machines d’usinages.

Deux types de structure de machine-outil cohabitent aujourd'hui: des machines à structure transversale et des machines à structure parallèle. Plusieurs constructeurs proposent des machines à structure parallèle hexapodes (Parallel Kinematic Machine Tool) qui sont adaptées à l'UGV par leur qualité structurelle: elles présentent une grande rigidité, de faibles masses en mouvement, et permettent donc de fortes accélérations et de grandes vitesses de déplacement. Ces machines sont cependant encore en phase de recherche et de développement, et leur champ d'application est encore à confirmer.

Le bâti

Pour obtenir des pièces usinées de grande qualité, la structure de la machine UGV doit être rigide.

En effet, les accélérations pour atteindre les vitesses de déplacement de 60 à 90m/mn sont importantes et les efforts transmis à la structure de la machine par les masses en mouvement sont conséquents, ce qui aménera des déformations et donc des imprécisions au niveau de la géométrie de la pièce si le bâti n'est pas assez rigide.
A cet effet, on réalise souvent les bâtis en béton de synthèse précontraint renforcé de fibres et de matériaux spéciaux.


Les batis sont également dimensionnés sur des critères vibratoires.
La broche tourne à des vitesses angulaires de 20000 à 50000 tr/mn et il est important de prendre en compte les modes vibratoires de l'ensemble de la machine: ils auront une influence sur la géométrie de la pièce usinée.

 

Figure 11: Etude de la rigidité du bâti d'une machine UGV

2.2- Broche

La broche est l’élément principal réalisant la mise en rotation de l'ensemble outil/porte-outil. La broche doit fournir de hautes vitesses de rotation tout en garantissant un couple compatible avec la coupe des métaux.

On cherche des broches permettant d’atteindre de hautes vitesses de rotation (couramment de 10000 à 50000 tr/min) avec une puissance de 20 à 50 KW. La technologie des broches a dû s’adapter pour garantir à la fois rigidité mécanique et résistance thermique. Pour cela, les roulements classiques sont remplacés par d’autres technologies moins sensibles aux effets dynamiques prépondérants à ces vitesses.

- roulements à billes céramiques
- paliers magnétiques
- paliers hydrostatiques

De même, la broche doit à la fois atteindre de grandes vitesses de rotation et un couple suffisant à bas régime pour les opérations d’ébauche. Les progrès technologiques permettent aujourd’hui l’utilisation d’électro-broches aux performances suffisantes sans nécessité d’une chaîne de transmission de puissance.

Figure 12: Broche IBAG- Courbe de la puissance fournie par une électro-broche

 

2.3- Porte Outil :

Cet élément réalise la liaison entre l’outil et la machine. Dans le cas du fraisage, traditionnellement, on utilise un cône normalisé (dit cône ISO). Le passage à de hautes vitesses de rotation entraîne la nécessité d’un comportement dynamique excellent, or, les efforts générés désolidarisent le cône male du cône femelle avec des porte-outils classiques.

La liaison outil porte-outil est donc re-conçue en UGV.

Un cône de mise en position est conservé mais un système de tirage axial lui est ajouté. Par ailleurs une surface plane perpendiculaire à l’axe permet de maîtriser la position axiale de l’outil.

 

Par exemple, on utilise aujourd’hui des cônes HSK (figures 13 et 14) , qui réalisent une liaison avec un appui plan prépondérant garantissant un effort de serrage suffisant, une stabilité face aux vibrations, une grande rigidité et une meilleure répartition des efforts de coupe: ils sont équilibrés pour des conditions de coupe correspondant à l’UGV. Le cône se déforme à hautes vitesses pour venir épouser les formes de la liaison.

Figures 13 et 14: Images de cônes HSK en déformation sous sollicitations dynamiques

Sur la figure animée ci-dessus, on voit le cône de ce type de porte-outil. Il est court et il se déforme car sa paroi est mince. La face axiale du porte-outil vient aussi en contact avec la broche ce qui n'est jamais le cas pour le porte-outil de type ISO traditionnel . Lorsque les forces centrifuges augmentent, le mécanisme de serrage axial vient également assurer une force radiale, ce qui assure le contact même à haute vitesse.

Pour en savoir plus sur ce type de porte-outil: http://membres.lycos.fr/donalddupont/porteoutil.html page de donald DUPONT

Outil :

Le corps de l’outil est relativement fin pour minimiser les masses en mouvements. En conséquence, les sollicitations mécaniques du couple outil/matière et les effets dynamiques accrus engendrent des déformations à prendre en compte dans les stratégies d'usinage (voir 5: commande, FAO)
En ce qui concerne la pointe des outils, il ne faut pas perdre de vue le couple « outil/matière » pour le choix, mais il faut aussi tenir compte des spécificités de l’UGV. On usine avec une faible épaisseur de coupe (une section de copeaux réduite) ce qui nécessite un affûtage précis garanti par l’emploi de grain de carbure fin, outil cher à l’achat.

La température de coupe élevée engendre une usure prépondérante par diffusion et abrasion ; les carburiers proposent des produits nombreux et de plus en plus pointus, répondant à des applications quasi spécifiques pour chaque usineur.

On trouve des outils dans les matériaux suivants :
- En nitrure de bore cubique (CBN)
- En diamant polycristalin (PCD)
- En carbure
- En céramique
- Revêtu TiN, TiAIN, TiCN

 

2.4- Porte pièce

Les efforts étant faibles, les porte-pièces peuvent être plus fins qu'en usinage conventionnel.

2.5- Commande FAO

La commande numérique en UGV pilote les principaux organes de la machine décrits précédemment. L’usinage de formes complexes en 3D à des vitesses de coupe et de déplacement élevées engendre des calculs beaucoup plus lourds qu’en usinage conventionnel. De nombreuses études ont été menées pour améliorer les algorithmes mathématiques, les trajectoires d’outils à utiliser pour minimiser le temps de calcul tout en garantissant au final un état de surface optimal.

Les stratégies employées en UGV différent de celles employées en Usinage Conventionnel principalement à cause des effets dynamiques: les changements brusques de trajectoire d'outil, les variations brusques de la section de copeau (lors de l'entrée dans la matière par exemple) amènent des variations de sollicitations mécaniques importantes, et ont des conséquences sur la qualité et la sécurité de l'usinage. Des sollicitations mécaniques constantes permettent de garantir une déformation constante de l'outil et un meilleur contrôle de la surface usinée. Le risque de bris d'outil est ainsi également maîtrisé.
Les stratégies d'usinage doivent également prendre en compte les phénomènes thermiques, en évitant la formation d'un amas de copeaux au contact de l'outil ou de la pièce pour éviter un échauffement négatif dans les deux cas (usure supérieure pour l'outil, caractéristiques mécaniques superficielles de la pièce modifiées localement).

L'UGV impose donc une augmentation des performances des algorithmes de calcul. Le choix du logiciel de FAO est essentiel car l'utilisation d'un logiciel non adapté peut amener des défauts sur la pièce fabriquée. Un logiciel adapté à l'UGV doit permettre de calculer les trajectoires sur une machine 5-axes en prenant en compte les effets dynamiques, et permettre le choix des stratégies d'usinage adaptées à l'UGV.

 

 

2.6- Environnement

Sécurité

Les conditions d’utilisation de l’UGV nécessitent un regard particulier sur la sécurité. En effet, le moindre copeau, bris d'outil qui s’échappe de manière imprévue à ces vitesses de coupe représente l’équivalent d’une balle de fusil. Les carters sont donc blindés.

Lien sur les problèmes de sécurité: SECURITE INRS

Thermique

Comme en usinage conventionnel, il est nécessaire d’atteindre la température de fonctionnement stabilisée pour éviter des dilatations des éléments de la machine et des dispersions géométriques conséquentes: la précision de l’UGV étant meilleure qu’en usinage conventionnel, l’influence relative de cet effet est plus importante.

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3. Les critères de conception.

Epaisseur des pièces

- Les efforts exercés par l'outil sur la pièce lors de la coupe sont plus faibles en UGV qu'en conventionnel (la diminution des efforts est directement liée aux conditions de coupe choisies). En conséquence, pour un même critère de déformation de la pièce lors de l'usinage, il deviendra possible d'usiner des pièces d'épaisseur plus faible. Il devient également possible d'usiner des peaux sans porte-pièces spéciaux.

- Les efforts de coupe plus faibles auront aussi pour conséquence une diminution des efforts de bridage.

Matériaux

- Les efforts de coupe étant réduits, il devient possible d'usiner certains matériaux qui demandaient un effort de coupe trop important en usinage conventionnel. Il est par exemple possible de faire subir un traitement thermique à la pièce avant usinage, ce qui garantira une meilleure définition géométrique de la pièce usinée que si le traitement est effectué par la suite.

- Lors d'un usinage conventionnel, les phénomènes locaux (déformation plastique) entrainent un écrouissage superficiel de la surface usinée. En UGV, les efforts de coupe étant réduits, ce phénomène n'apparait plus.
La résistance à la fatigue pouvant être améliorée par un écrouissage superficiel ( qui élimine les causes de formation de micro fissures à la surface de la pièce), il faudra penser à effectuer le traitement adéquat sur une pièce usinée en UGV.

De la même façon, la surface de la pièce subit une trempe superficielle due à la propagation de l'énergie calorifique en usinage conventionnel. Il faudra effectuer le traitement nécessaire à la pièce finie UGV pour obtenir les propriétés mécaniques souhaitées.

Géométrie des pièces

Sous certaines conditions, le débit copeaux est multiplié par 10. De plus la réduction des efforts de coupe permet l'utilisation d'outils de formes différentes (outil boule par exemple). Ces deux paramètres autorisent la réalisation dans la masse de pièces prototypes, aux géométries différentes par des stratégies de contournage.

Il est possible d'obtenir une meilleure définition géométrique de la pièce finie et des meilleurs états de surface en UGV en partie parce que la surface de la pièce n'est pas dégradée par un traitement themique superficiel. La précision dimensionnelle est plus grande qu'en Usinage Conventionnel. Un bon état de surface peut être obtenu sans avoir à faire de rectification.

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Conclusion

L’optimisation de l’UGV fait évoluer la manière de concevoir les pièces en offrant les possibilités d’obtention de formes impossibles à réaliser jusqu’ici en enlévement de matière. Il permet aussi l'usinage de matériaux ayant subi un traitement thermique préalable.
Elle suppose par contre une adéquation produit, processus, moyens complète. Certains incidents, vibrations ou ruptures d'outil, déjà génants aux vitesses conventionnelles prennent des proportions catastrophiques en UGV et les processus et outils de simulation doivent être adaptés pour garantir de bonnes conditions d'usinage.

 

Pour consulter quelques vidéos d'Usinage Grande Vitesse

Sur le site Technologie de Conception et Production

Vous trouverez des vidéos présentant les opérations suivantes:

Surfaçage et usinage d'une poche

Tréflage

Contournage

Usinage d'une rainure

Usinage trochoidal (pour obtenir toujours la même section de copeau)

Perçage en contournage

Usinage en race line

Usinage du fond de poche

 

 

 

 

BIBLIOGRAPHIE

Livre « Technique moderne d’usinage » Sandvik

« Usinage à grande vitesse » François GEISKOPF, Yann LANDON et Emmanuel DUC, LURPA, Décembre 1999

Article « Usinage à grande vitesse » Alain-L. DEFRETIN et Gérard LEVAILLANT, Techniques de l’Ingénieur, traité Génie mécanique.

Article « usinage à grande vitesse : réflexions de départ » Tramétal-Février 2003

Article « UGV : Une nouvelle philosophie de travail » Echos de la suisse romande

Dossier technologies : Des technologies nouvelles pour l’usinage mécanique de demain.

Article « Choisir sa machine Usinage Grande Vitesse » La lettre du Centre des Technologies Nouvelles

 

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maj le 01-02-2007

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